KR101811488B1 - 에너지 회수를 이용한 담수화 시스템, 그리고 관련 펌프, 밸브 및 컨트롤러 - Google Patents

에너지 회수를 이용한 담수화 시스템, 그리고 관련 펌프, 밸브 및 컨트롤러 Download PDF

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Abstract

에너지 회수 특징을 갖는 유체 펌핑 시스템은 역삼투 유닛에 급수를 제공하는데 사용될 수 있다. 이 시스템은 3개의 유압 펌프의 출력을 조절하는 전자 제어기 유닛을 포함한다. 각 유압 펌프는 실린더 내의 피스톤을 움직이게 한다. 피스톤은 총체적으로 역삼투 유닛에 대략 일정한 고압 급수 유동을 보낸다. 농축물 밸브 본체는 역삼투 유닛으로부터의 농축물을 피스톤의 후방면으로 인도해서 유압 펌프에 필요한 일을 감소시킨다. 전자 제어기는 유압 펌프의 출력과 밸브 조립체의 구동을 조화시킨다. 피스톤의 운동은 부분적으로는 피드백 루프에 의해 제어되어, 유압 펌프가 희망 출력을 생성하고 있는지를 확인한다. 농축물 밸브 본체는 피스톤의 속도가 감소될 때 폐쇄를 시작하도록 설계된다. 농축물 밸브 본체는 관련 피스톤이 움직이지 않아야만 하는 체류 기간 동안의 대기 시간 후에 이동한다. 피스톤 및 실린더는 해수 및 역삼투 염수에 노출되도록 설계된다.

Description

에너지 회수를 이용한 담수화 시스템, 그리고 관련 펌프, 밸브 및 컨트롤러{DESALINATION SYSTEM WITH ENERGY RECOVERY AND RELATED PUMPS, VALVES AND CONTROLLER}
본 발명은 담수화에 관한 것으로서, 가압 유체로부터 에너지를 회수하는 것에 관한 것이다. 고압의 유체 유동을 제공하는 용적식 펌프(positive displacement pump)의 세트와, 유체의 일부를 용적식 펌프로 되돌리는 밸브와, 용적식 펌프 및 밸브를 작동시키는 컨트롤러를 구비한 시스템 및 처리에 대해 기술한다.
지구상의 많은 지역에서는 충분한 담수의 공급이 이루어지지 않지만, 해수를 얻을 수는 있다. 해수는 다른 처리도 있으나 그 중에서도 역삼투(reverse osmosis; RO)을 사용하여 담수화될 수 있다. 역삼투(RO)에 의해 해수를 담수화하기 위해서는, 급수(feed water)의 삼투압 이상으로 급수를 가압해야만 한다. 역삼투 처리 동안 급수가 농축되어, 급수의 삼투압이 증가한다. 해수 역삼투(seawater reverse osmosis; SWRO)를 위한 일반적인 급수의 압력은 50bar 내지 70bar의 범위이다.
높은 급수 압력을 가정하면, 에너지 비용(일반적으로는 전기 소비량의 형태임)이 해수 역삼투 플랜트의 운영 비용의 가장 큰 부분이다. 다양한 개량예를 통해, 해수 역삼투에 의해 생산되는 물의 단위당 사용된 에너지의 양이 시간에 걸쳐서 감소되었다. 예컨대, 고압 다단 터빈 펌프는 대략 공칭 효율의 70%까지 효율적이게 되었다. 이제, 역삼투 모듈로부터 유출되는 농축 염수 유동 내의 에너지 중 일부를 회수하기 위해 동력 회수 터빈(power recovery turbine)이 사용된다. 회수율은 급수를 사전 처리하고 펌핑하는 비용(이는 회수율의 증가에 따라 감소함)과 담수화된 물을 생산하는 비용(이는 회수율의 증가에 따라 증가함) 사이에 균형을 맞추도록 최적화되어 왔다. 그러나, 이러한 개량에도 불구하고, 에너지 비용은 여전히 담수화 비용의 상당 부분을 차지한다.
또한, 에너지 소비량도 역삼투막 기술을 발전시키는데 방해가 된다. 역삼투막 기술의 발전은 70bar 이상에서 55% 이상의 회수율로 작동할 수 있는 막 요소를 포함한다. 이론상, 회수율이 높을수록 자본 비용이 낮아지고 원료 급수(raw feed water) 유량이 적어져야만 한다. 원료 급수의 유량을 줄이면, 그에 따라 사전 처리 및 급수 펌핑에서의 비용을 절감할 수 있으며, 해수를 빼내는 것에 의해 초래되는 환경 피해를 줄일 수도 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 급수가 농축되면, 급수의 삼투압이 증가한다. 회수율이 증가할 때, 급수 소비량, 삼투압 및 에너지 소비량도 증가한다. 이와 같은 순환을 깨뜨릴 핵심은 역삼투 모듈로부터 유출되는 염수에 내재된 에너지를 보다 많이 회수하는 것이다. 염수의 압력도 삼투압과 함께 증가한다. 따라서, 고 회수 처리의 염수에는 보다 많은 에너지가 내재되어 있다. 보다 더 큰 비율의 내재 에너지가 회수될 수 있다면, 직접적으로 에너지 소비량이 감소될 것이며, 최적 회수율의 증가로 인한 추가 감소의 가능성도 있다.
시간에 걸친 점진적인 개량에도 불구하고, 터빈 기반형 펌프 및 에너지 회수 장치는 에너지 효율에 있어서 제한이 따른다. 터빈 기반 기술은 해수 역삼투 플랜트에 걸쳐서 일정한 유속 및 압력을 생성하도록 사용하기에 익숙하고 쉬운 것이기 때문에 사용된다. 다른 방법을 적용하는 것은 차일즈(Childs) 등이 통합형 펌핑 및/또는 에너지 회수 시스템(Integrated Pumping and/or Energy Recovery System)이란 제목의 미국 특허 제 6,017,200 호에 피스톤 기반형 펌핑 및 에너지 회수 시스템을 기술하였다. 이 시스템은 역삼투막 모듈에 가압 급수를 제공하기 위해 유압 펌프에 의해 구동되는 피스톤을 사용한다. 이 피스톤의 전방면이 급수를 역삼투막으로 밀어 보낸다. 피스톤의 후방면은 역삼투 모듈로부터 염수를 수용한다. 피스톤의 후방면에 작용하는 염수의 압력은 피스톤을 움직이는데 필요한 유압 펌프로부터의 힘을 감소시킨다.
차일즈 등의 시스템에서, "에너지 회수" 밸브는 전진 스트로크(forward stroke)에서 염수가 피스톤의 후방면에 들어가게 한다. 추가의 토출 밸브가 유입된 염수를 후진 스트로크에서 피스톤으로부터 유출하게 한다. 에너지 회수 및 토출 밸브는 제어 유닛에 의해 제어되는데, 이 제어 유닛은 유압 펌프도 작동시킨다. 제어 유닛은 밸브의 움직임과 피스톤의 움직임을 동기화시킨다. 피스톤은 왕복 운동하기 때문에, 반드시 가속 및 감속을 해야만 하고, 따라서 본질적으로 급수의 불균일한 유속 및 압력을 초래한다. 그러나, 한 세트의 피스톤이 사용되는 경우, 이들의 출력은 변동적이지만 거의 일정한 결합 압력을 생성하도록 동기화될 수도 있다. 비록 다양한 실제적인 어려움이 있지만, 차일즈 등의 시스템은 고압의 급수 유동을 효율적으로 생성할 가능성이 있다.
본 명세서는 가압 유체 스트림으로부터의 에너지 회수에 관한 펌핑 시스템 및 처리에 대해 기술한다. 이 펌핑 시스템 및 처리는, 예컨대 급수를 역삼투(RO) 시스템에 제공하고, 역삼투 시스템으로부터 유출되는 염수에서 에너지를 회수하기 위해 사용될 수도 있다. 이 시스템 및 처리는 한 세트의 피스톤 기반형 펌프와, 염수를 펌프로 복귀시키는 밸브와, 펌프 및 밸브를 작동시키는 전자 컨트롤러를 구비한다. 이 시스템 및 처리는 상술한 차일즈 등의 시스템과 대략 유사하다. 그러나, 펌프, 밸브, 제어 유닛, 펌프에 대한 밸브 운동의 타이밍, 및 시스템과 처리 전체에 대한 개량이 이루어졌다.
미국 특허 제 6,017,200 호에 기재된 시스템에서는, 피스톤 로드를 구동하기 위해 유압 펌프가 사용된다. 그 후에 피스톤 로드가 실린더 내의 피스톤을 구동하여 급수를 가압함으로써, 급수가 역삼투막으로 유동하게 한다. 유압 펌프의 출력은 제어 유닛에 의해 제어된다. 피스톤 로드(유압 펌프에 의해 구동됨)와 피스톤의 기계적인 결합으로 인해, 전자 제어 유닛은 어느 때라도 피스톤의 속도를 결정한다. 전자 제어 유닛은 시간에 따른 피스톤의 희망 속도를 나타내는 속도 프로파일을 갖도록 프로그래밍되어 있다. 제어 유닛은 유압 펌프에 명령하여, 피스톤이 속도 프로파일을 따르게 하도록 의도된 출력을 생성하게 한다. 제어 유닛은 여러 지점에서의 커넥팅 로드의 위치를 알맞게 표시하는 센서로부터, 피스톤이 실제로 속도 프로파일을 따르고 있는지의 여부에 대한 피드백(feedback)을 수신한다. 이러한 제어 루프는, 제어 유닛이 유압 펌프의 출력을 조절하는 것에 의해 피스톤 속도에서의 오차를 보정하는 능력을 제공한다.
본 명세서에 기재된 시스템 및 처리에서, 유압 펌프의 출력을 표시하기 위해 추가 센서가 제공된다. 제어 유닛은 유압 펌프의 출력에 대한 정보를 이용하여, 유압 펌프가 실제로 그 당시에 필요한 출력을 제공하고 있는지의 여부를 결정하고, 필요한 경우 유압 펌프의 출력을 보정한다. 유압 펌프의 출력을 표시하는 센서로부터의 측정된 정보를 통합하는 이러한 제어 루프의 추가에 의해, 제어 유닛은 피스톤으로 하여금 희망 속도 프로파일을 보다 정확하게 따르게 할 수 있다.
미국 특허 제 6,017,200 호에 기재된 에너지 회수 및 토출 밸브는 제어 유닛에 의해 작동하는 솔레노이드에 의해 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 이동한다. 이들 밸브는 관련 피스톤이 움직이지 않고 있어야만 하는 잠시의 체류 기간(dwell period) 동안에 움직인다. 본 명세서에 기재된 시스템 및 처리에서는, 밸브를 통한 유동의 속도 변화에 반응하는 밸브가 사용된다. 구체적으로, 밸브는 그를 통한 유동의 속도가 감소될 때 폐쇄 위치로 이동한다. 이러한 방식으로, 밸브를 폐쇄하기 위해 필요한 운동의 적어도 일부는 체류 기간 전에 자동적으로 일어난다.
기계적으로, 밸브는 밸브 본체 내부의 하류측 시트(seat)에 대하여 폐쇄되는 피스톤을 갖는다. 피스톤의 면은, 예컨대 중심 영역과 외측 링과 같은 2개의 유효 표면 영역을 갖는다. 밸브를 통해 흐르는 물은 피스톤 주위를 지나간다. 외측 링은 밸브 본체의 굽힘부의 상류측에 위치하는데, 이 굽힘부가 흐르는 물에 손실 수두(head loss)를 초래한다. 이러한 손실 수두로 인해, 물이 밸브를 통해 흐르고 있을 때, 피스톤 중심 영역에서의 정압이 외측 링에서의 정압보다 낮다. 피스톤의 후면은 하류측의 정압에 연결된다. 따라서, 물이 밸브를 통해 흐르고 있을 때, 피스톤은 물의 유속에 따라 증가하는 힘에 의해 개방 위치 쪽으로 압박된다. 피스톤을 폐쇄 위치 쪽으로 가압하기 위해 스프링이 사용될 수도 있다. 고 유속에서는, 밸브 본체 내의 하류측 압력에 대한 외측 링에서의 추가 압력이 스프링을 극복하여 밸브를 개방 상태로 유지시킨다. 그러나, 유속이 감소함에 따라, 외측 링에서의 추가 압력도 감소하여, 밸브가 폐쇄 위치 쪽으로 이동할 수 있다.
다른 개량예에 대해서도 후술한다. 예컨대, 급수 구동 피스톤은 급수용 해수 및 받아들여 지지 않은 역삼투 염수 모두를 수용하는 실린더 내에서 작동할 수도 있다. 급수 및 염수는 부식성이며, 피스톤과 실린더 사이의 마찰을 유발한다. 피스톤 및 실린더는 내부식성 및 저마찰 재료를 사용하여, 필요시에 유지보수할 수 있도록 제조된다.
추가 예에 대하여, 후술하는 처리에서의 체류 시간(dwell time)은 밸브가 이동하기 전의 대기 기간을 포함한다. 이러한 대기 기간은 그 속도 프로파일에 따라 완전히 정지하는 급수 구동 피스톤에서의 지연을 허용한다. 그러므로, 대기 기간은 물이 여전히 밸브를 통해 흐르고 있는 동안에 밸브가 움직일 가능성을 최소화한다.
개별적으로, 또는 상술한 특징 또는 이하의 상세한 설명에서의 특징들 중 하나 또는 그 이상이 조합하여, 상기 특징들은 시스템이 보다 확실하게 작동할 수 있게 하거나, 보다 거의 일정한 출력 압력을 생성할 수 있게 한다.
도 1은 역삼투 시스템과 조합된 유체 펌핑 및 에너지 회수 시스템의 개략도,
도 2는 도 1의 시스템에 사용된 유압 펌프의 일부의 개략 단면도,
도 3은 도 1의 시스템에 사용된 물 펌프의 개략 단면도,
도 4는 도 1의 시스템에 사용된 급수 밸브의 개략 단면도,
도 5는 도 1의 시스템에 사용된 에너지 회수 밸브(선택적으로 농축 밸브라고도 함)의 개략 단면도,
도 6은 도 1의 시스템에 사용된 제어 유닛의 내측 및 외측 피드백 루프의 개략도,
도 7은 도 1의 시스템을 작동시키는데 사용되는 속도 대 시간 프로파일.
도 1에 도시된 바와 같이, 시스템(10)은 급수원(110), 3개의 유압 펌프(12), 각각의 유압 펌프(12)에 대한 물 펌프(200), 역삼투막 유닛(216), 및 제어 유닛(100)을 포함한다. 시스템(10)은 참조에 의해 조합되어 있고 후술할 미국 특허 제 6,017,200 호에 기재된 시스템과 유사하다.
제어 유닛(100)으로부터의 명령 하에서, 각 유압 펌프(12)는 개별 피스톤 로드(14)의 운동을 제어한다. 피스톤 로드(14)는 물 펌프(200) 내에 수납되어 있는 2개의 듀얼 액션(dual-action) 피스톤(224, 226)(도 1에는 도시되지 않음)에 기계적으로 연결된다. 아래에 추가로 기술되는 바와 같이, 각 유압 펌프(12)의 유압 출력이 피스톤 로드(14)를 움직이게 한다. 기계적인 연결로 인해, 피스톤 로드(14)의 운동은 2개의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)이 피스톤 로드(14)의 운동과 일치하여 움직이게 한다. 피스톤 로드(14)와 2개의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)은 총체적으로 왕복 운동 조립체(300)로 언급될 수도 있다. 명확성을 위해, 본 명세서에서는 하나의 펌프 및 왕복 운동 조립체의 특징에 대해 설명할 것이지만, 이는 시스템 내의 모든 유압 펌프 및 왕복 운동 조립체의 특징에 대해서도 유사하게 설명하는 것임을 이해해야 한다.
해수, 기수 등의 소스(source)를 포함하는 급수원(110)은 급수 공급 라인(도관)(254, 256)(도 1에서는 긴 점선으로 표시됨)에 의해 물 펌프(200)에 연결되어 급수를 공급한다.
시스템(10)은 또한 고압 급수를 물 펌프(200)로부터 역삼투막 유닛(216)으로 인도하는 고압 급수 공급 라인(262, 264)(도 1에서는 굵은 실선으로 표시됨)을 포함한다.
역삼투막 유닛(216)은 탈염수인 일정 체적의 투과수(permeate)를 생성하는데, 이 투과수는 담수화된 여과 생성물의 희망 용도를 위해 투과수 라인(217)에 의해 인도된다. 역삼투막 유닛(216)은 일정 체적의 고압 농축물을 생성한다. 이 고압 농축물은 역삼투막 유닛(216)으로부터 라인(218, 219)에 의해 다시 물 펌프(200)로 인도된다(도 1에서는 점선으로 표시됨).
물 펌프는 또한 아래에 추가로 기술하는 바와 같이 저압 농축물 출구를 포함하는데, 이 출구는 전체 시스템의 세부 사항에 따라 저압 농축물을 폐기물 스트림 또는 재활용 스트림으로 인도하는 저압 농축물 토출 라인(250, 252)에 연결된다(도 1에서는 얇은 실선으로 표시됨).
대략적으로 조망해보면, 본 시스템 내에는 4개의 개별적인 정수압이 존재한다. 제 1 압력(P1)은 급수원(110)으로부터 라인(254, 256)을 통해 물 펌프(200)에 급수를 공급하는 압력이다. 제 1 압력(P1)은 다양한 공지의 펌프에 의해 제공될 수 있다. 실질적으로 제 1 압력(P1)보다 높은 제 2 압력(P2)은 물 펌프(200)로부터 라인(262, 264)을 통해 역삼투막 유닛(216)으로 이송되는 급수에 가해지는 압력이다. 후술하는 바와 같이, 제 2 압력(P2)은 물 펌프(200)의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)에 의해 제공된다. 제 3 압력(P3)은 농축물 유체가 역삼투막 유닛(216)으로부터 유출되어 라인(218, 219)을 통해 물 펌프(200)에 복귀할 때의 농축물 유체의 정수압이다. 제 3 압력(P3)은 제 2 압력(P2)보다 약간 낮은데, 이는 에너지의 일부가 역삼투막 유닛(216)으로부터의 담수화된 물을 투과수 라인(217)으로 보내는데 사용되기 때문이다. 제 4 압력(P4)은 농축물이 물 펌프(200)로부터 라인(250, 252)을 거쳐서 폐기물 스트림 또는 재활용 스트림으로 유출될 때의 농축물의 압력이다. 제 4 압력(P4)은 제 3 압력(P3)보다 낮다.
예컨대, 제 1 압력(P1)은 실질적으로 5psi 내지 100psi의 범위 내에 있고, 제 2 압력(P2)은 600psi 내지 1000psi의 범위 내에 있으며, 제 3 압력은 500psi 내지 950psi의 범위 내에 있고, 제 4 압력(P4)은 1psi 내지 50psi의 범위 내이다.
유압 펌프
제어 유닛(100)의 제어 하에서, 펌프(12)는 희망 속도 프로파일을 피스톤 로드(14)에 부여한다. 유압 펌프(12)는 회전 에너지를 유압 유체의 흐름으로 전환하는 회전 에너지원을 포함한다. 그러므로, 유압 펌프(12)는 제어 유닛(100)으로부터의 명령으로 본 명세서에서 후술하는 바와 같이 유압 출력을 생성하는데, 이 유압 출력은 최대 유압 출력으로부터 0의 유압 출력까지 그리고 반대 방향으로의 최대 유압 출력까지의 범위일 수 있다. 펌프(12)의 유압 출력은 피스톤 로드(14)의 왕복 운동 변위로 전환된다.
피스톤 로드(14)는 유압 실린더(18)의 내부에 배치된다. 유압 실린더의 일단부에는 라인(26)이 부착되고, 유압 실린더(18)의 타단부에는 라인(28)이 부착된다. 라인(26, 28)은 펌프(12)의 유압 출력을 유압 실린더 내부에 배치된 피스톤(20)의 양측으로 인도한다. 피스톤 로드(14)는 피스톤(20)의 한 면에 연결될 수 있으며, 다른 로드(30)(도 6에 도시됨)가 피스톤의 반대측 면에 연결될 수도 있다. 선택적으로, 피스톤 로드(14)는 피스톤(20)의 양면을 통해 연장될 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 유압 펌프(12)는 회전 에너지를 구동 샤프트(60)에 부여하는 모터(도시 생략)를 포함한다. 구동 샤프트(60)는 일정한 분당회전수로 회전한다. 구동 샤프트는, 예컨대 스플라인(spline) 또는 랙 앤드 피니언 장치에 의해 배럴(62)에 작동 가능하게 연결되는데, 이 배럴(62)은 피스톤 보어 내에 복수의 축방향 피스톤(64)을 수납한다. 각각의 피스톤(64)은 볼(ball)에서 종단되는데, 이 볼 상에 슈(shoe)(66)가 스웨이지 가공되어 있으며, 슈는 각 피스톤 볼에서 회전하는 것뿐만 아니라 선회하는 것이 자유롭다. 슈(66)는, 흔히 당업자에 의해 크리프 플레이트(creep plate)라고도 불리는 스러스트 플레이트(thrust plate)(68)를 지지하고, 이어서 스러스트 플레이트(68)는 샤프트(60)의 축선에 대해 경사지게 도시되어 있는 스와시 플레이트(swash plate)(70)를 지지한다. 스와시 플레이트(70)는 회전하지 않지만, 제어 유닛(100)의 명령 하에서, 샤프트(60) 축선에 수직인 축선을 중심으로 기울여질 수 있다.
구동 샤프트(60)가 회전할 때, 스러스트 플레이트(68), 배럴(62) 및 각 피스톤(64)은 구동 샤프트(60)를 중심으로 회전한다. 피스톤이 구동 샤프트(60)를 중심으로 회전할 때, 피스톤은 스와시 플레이트(70)의 경사를 추종한다. 스와시 플레이트(70)의 경사를 추종하면, 피스톤이 배럴(62) 내의 보어 안팎으로 맞물리게 됨으로써, 유압 유체를 토출하며 펌프(12)의 유압 출력에 영향을 미친다. 본 예에서, 펌프(12)의 유압 출력은 펌프(12) 내에서의 피스톤(64)의 스트로크 진폭 및 라인(26, 28) 내에서의 유압 유체의 유량을 말한다.
스와시 플레이트(70)의 각도는 유압 펌프의 유압 출력을 결정한다. 예컨대, 스와시 플레이트 각도가 도 2에 기호(1st)로 표시된 제 1 위치에 배치되어 있는 경우, 유압 유체는 라인(28)으로 펌핑되며 라인(26)으로부터 토출될 것인데, 이에 의해 도 1의 유압 실린더 피스톤(28)이 제 1 방향으로 이동하게 된다. 캠 각도가 구동 샤프트(60)의 축선에 대해 실질적으로 직교하여 도 2의 위치(N)에 있을 때, 배럴(62)에 대한 피스톤(64)의 맞물림이 존재하지 않아서, 라인(26, 28)으로부터의 또는 그 내부로의 유압 유체의 이동이 없으며, 펌프(12)의 유압 출력은 0이고, 유닛은 중립 위치에 있다. 캠 각도가 제 2 위치(2nd)로 바뀌면, 라인(28)이 토출 라인이 되고, 라인(26)이 유입 라인이 됨으로써, 도 1의 피스톤(20)이 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 이동하게 된다.
제어 유닛이 스와시 플레이트(70)의 각도를 중심점의 일측으로부터 중립을 거쳐서 반대측으로 움직이도록 명령함에 따라, 유압 펌프(12)로부터의 유압 출력은 한 방향으로의 최대값으로부터 0의 값을 거쳐서 반대 방향으로의 최대값으로 매끄럽게 바뀔 수 있다.
물 펌프
도 3에 도시된 바와 같이, 물 펌프(200)는 2개의 단부 플레이트(204, 206)와, 단부 플레이트 사이에서 연장되는 측벽(208)을 갖는 대체로 관형인 형상이다. 또한, 물 펌프(200)는 물 펌프(200)의 내부 통로를 2개의 피스톤 챔버(220, 222)로 분할하는 중간 플레이트(203, 205)를 갖는다. 각 피스톤 챔버(220, 222) 내에는 왕복 운동하는 듀얼 액션 피스톤(224, 226)이 있는데, 이들 각각은 급수 작동 챔버(228, 234) 및 농축물 작동 챔버(230, 232)를 규정한다. 듀얼 액션 피스톤(224, 226)은 2개의 중간 플레이트(203, 205) 모두에 있는 구멍을 통해 연장되는 커넥팅 로드(278)에 의해 기계적으로 연결되어 있다. 커넥팅 로드(278)는 또한 단부 플레이트(206) 내의 베어링 및 시일 조립체(209)를 통해 물 펌프 외부로 연장됨으로써, 압력 또는 유체가 급수 작동 챔버(234)로부터 단부 플레이트(206)를 지나서 누설되지 않게 한다.
급수 작동 챔버(228)는 단부 플레이트(204)의 내면, 측벽(208)의 내면, 및 피스톤(224)의 급수면(feed water face)이라고도 불리는 전방면(236)에 의해 규정된다. 급수 작동 챔버(234)는 단부 플레이트(206)의 내면, 측벽(208)의 내면, 및 피스톤(226)의 급수면이라고도 불리는 전방면(237)에 의해 규정된다. 급수 작동 챔버(228, 234)는 각각 급수 작동 챔버(228, 234)의 측벽(208)을 가로지르는 유체 연통을 제공하기 위해, 예컨대 급수의 입구 및 출구를 허용하기 위해 급수 액세스 포트(212, 213)를 갖는다.
농축물 작동 챔버(230)는 중간 플레이트(203)의 내면, 측벽(208)의 내면, 피스톤(224)의 농축물면(concentrate face)이라고도 불리는 후방면(238)에 의해 규정된다. 농축물 작동 챔버(232)는 중간 플레이트(205)의 내면, 측벽(208)의 내면, 및 피스톤(226)의 농축물면이라고도 불리는 후방면(240)에 의해 규정된다. 급수면(236, 237)은 피스톤의 후방면(238, 240)의 반대측에 배치된다. 농축물 작동 챔버(230, 232)는 각각 농축물 작동 챔버(230, 232)의 측벽(208)을 가로지르는 유체 연통을 제공하기 위해, 예컨대 농축물의 입구 및 출구를 허용하기 위해 농축물 액세스 포트(242, 244)를 갖는다.
듀얼 액션 피스톤(224, 226)은 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 외주부와 측벽(208) 사이에 하나 이상의 시일(280)을 구비하여 급수 작동 챔버(228, 234)와 농축물 작동 챔버(230, 232) 사이의 유체의 움직임을 방지함으로써, 듀얼 액션 피스톤(224, 226)을 가로지르는 유체 연통이 존재하지 않게 한다. 하나 이상의 시일(280)은 급수 작동 챔버(228, 234) 및 각각의 농축물 작동 챔버(230, 232) 내의 상이한 정수압에 의해 야기되는 피스톤(224, 226)을 가로지르는 상이한 압력을 견디기에 충분한 탄성을 갖는다.
상술한 바와 같이, 듀얼 액션 피스톤(224, 226)은 커넥팅 로드(278)에 기계적으로 연결된다. 커넥팅 로드(278)는 또한 피스톤 로드(14)에 기계적으로 연결됨으로써, 2개의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)이 피스톤 로드와 일체로 움직이게 한다. 상술한 바와 같이, 피스톤 로드(14), 커넥팅 로드(278) 및 듀얼 액션 피스톤(224, 226)을 총체적으로 왕복 운동 조립체(300)라고 부른다.
본 명세서에 후술하는 바와 같이, 예컨대 물 펌프(200) 내에서의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 듀얼 스트로크 거리(dual stroke distance) 등의 왕복 운동 조립체(300)의 운동은 변화할 수 있다. 그러므로, 급수 작동 챔버(228, 234)의 체적 및 농축물 작동 챔버(230, 232)의 체적은 또한 왕복 운동 조립체(300)의 스트로크의 시점과 종점에서의 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 위치 차이와 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 단면적의 곱에 의해 규정될 수 있다.
담수화 처리부
역삼투막 유닛(216)은 선택적 투과성 막(도시 생략)을 포함하는 역삼투 여과 처리부이다. 압력(P2)의 급수가 역삼투막 유닛(216)의 일 단부로 유입하며, 탈염수인 일정 체적의 투과수가 선택적 투과성 막을 지나서 투과수 라인(217)으로 유입된다. 사실상, 역삼투막 유닛(216)은 초기 체적의 급수로부터 일정 체적의 투과수를 제거한다. 이는 나머지 급수에 2가지의 주된 영향을 미치는데, (i) 이는 고압 농축물 라인(218, 219)에 그리고 궁극적으로는 농축물 작동 챔버(230, 232)에 유입되는 물의 전체 체적에서의 감소를 초래하고(이러한 차이를 회수율이라고 함), (ii) 고압 농축물이 더 농축되어, 이미 본질적으로 부식성인 급수보다 더 부식성을 갖게 된다.
레이쇼 슬리브( ratio sleeve )
회수율을 보상하기 위해, 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 후방면(238, 240) 사이에서 커넥팅 로드(278)의 둘레에 레이쇼 슬리브(282)가 배치된다. 레이쇼 로드(ratio rod)라고도 불리는 레이쇼 슬리브(282)는 커넥터 로드(278)보다 더 큰 직경을 갖는 것이며, 이는 급수 작동 챔버(228, 234)의 체적에 비해 농축물 작동 챔버(230, 232)의 작동 체적을 감소시킨다. 예컨대, 역삼투막 유닛(216)의 회수율이 30%인 경우, 레이쇼 슬리브(282)의 직경은 농축물 작동 챔버(230, 232)로부터 펌핑된 농축물의 체적이 급수 작동 챔버(228, 232)로부터 펌핑된 급수의 체적보다 30% 작다.
도 3에 도시된 바와 같이, 슬리브(282)는 왕복 운동 조립체(300)의 일부이며, 슬리브(282)는 2개의 중간 플레이트(203, 205) 모두를 통해 이동한다. 농축물 작동 챔버(230, 232) 사이의 유체 또는 압력의 연통을 방지하기 위해, 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)가 측벽(208)의 내면의 구멍에 배치되어 레이쇼 슬리브(282)의 외면에 접하는 하나 이상의 시일(286)을 제공한다.
내부식성 저마찰 재료
상술한 바와 같이, 물 펌프(200) 및 왕복 운동 조립체(300)의 여러 표면들은 부식성을 갖고 소금기가 있는 급수와 직접 접촉한다. 또한, 물 펌프(200)의 다양한 다른 표면들은 고 부식성 및 고압의 농축물과 직접 접촉한다. 왕복 운동 조립체(300)는 급수 및 고압 농축물 내에서 운동하며, 이러한 운동은 물 펌프(200)의 접촉 표면과의 높은 정도의 마찰에 대항한다. 그러므로, 물 펌프(200) 및 왕복 운동 조립체(300)의 여러 표면들은 급수 및 고압 농축물의 부식성의 성질에 견디는 특수 재료로 제조된다. 물 펌프(200)와 왕복 운동 조립체(300) 사이의 접촉 표면들 사이에 사용되는 시일은 시일과 밀봉 표면 사이에 낮은 마찰계수가 나타나도록 매우 낮은 표면 프로파일(surface profile) 또는 다른 성질을 갖는다.
예컨대, 물 펌프(200)의 측벽(208) 및 커넥팅 로드(278)는 AL6XN, 2205 듀플렉스 스테인리스 강, 2507 듀플렉스 스테인리스 강, 254MO 스테인리스 강 또는 유리섬유와 같은 수퍼 오스테나이트계(super-austenitic) 재료로 제조된다. 듀얼 액션 피스톤(224, 226)을 가로지르는 차압(즉, 제 2 압력(P2)과 제 3 압력(P3)의 차이)은 다른 피스톤 펌프 시스템에 비해 상대적으로 낮다. 이와 같이 낮은 차압은 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 후방면(238, 240)에 작용하는 농축물 작동 챔버(230, 232) 내의 가압된 농축물에 의한 것이다. 듀얼 액션 피스톤(224, 226)을 가로지르는 차압이 비교적 낮기 때문에, 수퍼 오스테나이트계 재료보다 더 가볍고 더 저렴한 내부식성 재료를 사용할 수 있다. 예컨대, 듀얼 액션 피스톤(24, 226)은 폴리옥시메틸렌과 같은 내부식성의 폴리머로 제조될 수 있다.
폴리머로 제조된 듀얼 액션 피스톤(224, 225)에 대한 추가 지지를 제공하기 위해, 수퍼 오스테나이트계 재료로 제조된 지지 플레이트(241)가 급수면(236, 237)에 배치되어 듀얼 액션 피스톤(224, 226)을 커넥팅 로드(278)에 고정하는 것을 보조할 수 있다. 지지 플레이트(241)는 또한 물리적 하중을 듀얼 액션 피스톤(224, 226) 전체에 걸쳐서 분포시키는 것을 보조하는데, 이에 의해 왕복 운동 조립체(300)가 움직일 때의 변형이 감소된다. 왕복 운동 조립체(300)는 커넥팅 로드(278) 상의 고 토크 너트에 의해 비교적 높은 장력으로 고정되는데, 고 토크 너트는 수퍼 오스테나이트계 재료 및 세라믹 재료(후술함)를 하나의 연속적인 조립체로서 고정하는 것에 의해 이러한 높은 장력을 유지한다. 이와 같은 높은 장력은 폴리머 재료 내의 압축 경화 또는 크리프를 완화하는데 도움이 되며, 이에 의해 왕복 운동 조립체(300)에 걸친 장력을 줄일 수 있다.
단부 플레이트(204, 206)도 폴리옥시메틸렌과 같은 폴리머로 제조될 수 있다. 폴리머로 제조된 단부 플레이트는 SS316 스테인리스 강과 같이 상대적으로 강성이 더 높은 재료로 제조된 추가 단부 플레이트(204', 206')에 의해 추가로 지지되는데, 이 추가 단부 플레이트(204', 206')는 도 3에 도시된 바와 같이 단부 플레이트(204, 206)의 외측면에 제공된다.
레이쇼 슬리브(282)의 대직경이 농축물 작동 챔버(230, 232)의 많은 양의 작동 면적을 차지하기 때문에, 중간 플레이트(203, 205)는 단부 플레이트(204, 206)에 비해 더 작은 물리적 힘을 받는다.
커넥팅 로드(287)는, 예컨대 세라믹과 같이 내부식성 성질을 갖고 낮은 표면 프로파일을 갖는 재료로 제조되는 세라믹 슬리브(211)를 포함할 수 있다. 베어링 및 시일 조립체(209)는 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같은 폴리머로 제조되고, 스터핑 박스(stuffing box)를 포함함으로써, 세라믹 슬리브(211)와 베어링 및 시일 조립체(209) 사이의 마찰이 최소화된다. 세라믹 슬리브(211)는, 왕복 운동 조립체(300)가 이동할 최대 거리와 동일한 커넥텅 로드(287)의 길이만큼 연장될 수도 있다.
또한, 레이쇼 슬리브(282)는 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284) 및 중간 플레이트(203, 205)의 시일(286)을 통해 이동하며, 이것은 예컨대 세라믹과 같이 내부식성 성질을 갖고 낮은 표면 프로파일을 갖는 재료로 제조된다.
피스톤의 외주부에 있는 시일(286)은, 예컨대 폴리테트라플루오로에틸렌과 같이 레이쇼 슬리브(282)와의 가장 낮은 마찰계수를 형성하는데 적합한 재료로 제조된다.
레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)는 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같은 적절한 폴리머로 제조된다. 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)는, 예컨대 n+1개의 복수의 피스(piece)로 제조될 수 있는데, 여기서 n은 사용된 시일(286)의 수를 나타낸다. 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)의 각각의 개별 피스는 레이쇼 슬리브 시일 조립체의 내경 둘레로 연장된다. 복수의 피스들이 조립되면, 이들은 서로에 대한 측방향 접속부(도시 생략)을 구비하여, 각각의 시일(286)이 피스들 사이에 고정된 상태로 피스들을 함께 탈착식으로 고정한다. 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)의 복수의 피스는 이들 중의 시일(286)에 접근하기 쉽게 하며, 나아가 유지보수가 필요한 경우 레이쇼 슬리브(282)에의 접근을 허용한다. 추가의 선택적 특징에 있어서, 레이쇼 슬리브 시일 조립체(284)는 여러 가지 레이쇼 슬리브(282)의 외경을 수용하도록 측벽(208)으로부터 다양한 거리만큼 연장된다. 예컨대, 무슨 이유에서든지 역삼투막 유닛(216)의 회수율이 바뀌면, 농축물 작동 챔버(230, 232)의 체적은 여러 가지 외경의 레이쇼 슬리브(282)를 사용하는 것에 의해 알맞게 조절될 수 있다.
선택적 특징에 있어서, 커넥팅 로드(278)는 스페이서(spacer)(279)를 포함하는데, 이 스페이서(279)는 듀얼 액션 피스톤(226)의 급수면(237)에 배치된 지지 플레이트(241)와 세라믹 슬리브(211)의 일 단부 사이에 위치 설정되어 있다. 스페이서(279)는 상술한 바와 같이 유사 수퍼 오스테나이트계 재료로 제조되며, 세라믹 슬리브(211), 커넥팅 로드(278), 지지 플레이트(241) 및 듀얼 액션 피스톤(226)의 기계적인 결합을 안정화시키는 것을 보조한다.
다른 선택적 특징에 있어서, 레이쇼 슬리브(282)는 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같은 내부식성 폴리머로 제조된 레이쇼 스페이서(283)를 포함한다. 레이쇼 스페이서(283)는 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 후방면(238, 240)과 레이쇼 슬리브(282) 사이에서 레이쇼 슬리브(282)의 각 단부에 위치 설정된다. 레이쇼 스페이서(283)는 급수면(238)으로부터 레이쇼 슬리브(282)의 중심 쪽으로 연장되어, 레이쇼 슬리브에 사용된 세라믹의 양을 줄임으로써 레이쇼 슬리브(282)의 전체 중량을 감소시키는데, 이는 왕복 운동 조립체(300)를 움직이는데 필요한 에너지를 줄이기 위해서 중요하다. 그러나, 레이쇼 슬리브(282)는, 왕복 운동 조립체(300)의 운동 동안 시일(286)이 밀봉부를 형성하는 유일한 표면이 레이쇼 슬리브(282)가 되는 것을 보장하기에 충분한 길이만큼 레이쇼 스페이서들(283) 사이에서 연장될 것이다.
다른 선택적 특징에 있어서, 베어링 및 시일 조립체(209)는 커넥팅 로드(287) 주위를 둘러싸고 커넥팅 로드(287)를 따라 급수 작동 챔버(234)로부터 멀어지게 연장되는 일련의 시일일 수 있다. 급수 작동 챔버(234)에 가장 가까운 시일은 급수에 의해 가장 많은 양의 윤활(lubrication)을 받지만, 이 시일은 베어링 및 시일 조립체(209)의 가장 낮은 압축을 받는다. 대조적으로, 급수 작동 챔버(234)로부터 가장 멀리 있는 시일은 가장 적은 윤활 및 가장 높은 압축을 받는다. 재료, 순서, 시일 형상 및 가능한 스프링 재적용의 선택에 의해 베어링 및 시일 장치(209)의 수명이 늘어날 수 있다.
다른 선택적 특징에 있어서, 시일(286)은 비스듬하게 절단된 단부를 갖는 시일 재료의 스트립일 수 있다(도시 생략). 이러한 특징의 목적은 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조된 시일(286)이 오랜 시간에 걸쳐 마모될 것임은 자명하므로, 비스듬하게 절단된 에지가 시일로 하여금 오랜 시간에 걸쳐 자동 밀봉하게 함으로써, 세라믹 레이쇼 슬리브(282)에 대한 유체 및 압력의 밀봉을 유지하는 것과 관련된 유지보수의 부담을 줄이는 것에 있다.
다른 선택적 특징에 있어서, 듀얼 액션 피스톤(224, 226)의 외주부와 측벽(208) 사이의 하나 이상의 시일(280)은 폴리테트라플루오로에틸렌으로 제조될 수도 있다.
다른 선택적 특징에 있어서, 레이쇼 슬리브(282)의 내면과 커넥팅 로드(278)의 외면에 의해 규정되는 공동(hollow cavity)이 존재한다. 도시되지는 않았지만, 레이쇼 슬리브(282)의 일 단부에 있는 포트가 농축물 작동 챔버(230, 232)과 공동 사이에 유체 연통을 제공한다. 공동은 레이쇼 슬리브(282)에 사용된 세라믹의 양을 줄이고, 왕복 운동 조립체(300)의 전체 중량을 줄임으로써, 유압 펌프(12)가 왕복 운동 조립체(300)의 운동을 실행하는데 필요한 일의 양을 줄일 수 있다.
급수 밸브 조립체
도 3에 도시된 바와 같이, 피스톤 챔버(220, 222)는 급수 액세스 포트(212, 213)를 통해 급수 작동 챔버(228, 234)로 흐르는 급수의 유량을 조절하는 급수 밸브 조립체(258, 260)를 포함한다. 예컨대, 급수가 급수 작동 챔버(228)에 공급도기를 희망하는 경우, 급수 밸브 조립체(258)가 라인(254)에 대해 개방됨으로써, 급수가 급수원(110)으로부터 라인(254)을 통해서 그리고 급수 액세스 포트(212)를 거쳐서 급수 작동 챔버(228)로 흘러갈 수 있다. 급수 밸브 조립체(258)가 라인(254)에 대해 폐쇄되는 경우, 급수가 급수 작동 챔버(228)로 흐르지 않을 것이다. 급수 작동 챔버(234)에 급수를 공급하기 위해서는, 급수가 급수원(110)으로부터 라인(256)을 통해서 급수 액세스 포트(213)를 거쳐 급수 작동 챔버(234)로 흐르도록 급수 밸브 조립체(260)가 라인(256)에 대해 개방될 수 있다. 급수 밸브 조립체(260)가 라인(256)에 대해 폐쇄되는 경우, 급수가 급수 작동 챔버(234)로 흐르지 않을 것이다.
급수가 급수 작동 챔버(228, 234)를 빠져나오기 위해서, 급수 밸브 조립체(258, 260)가 라인(254, 256)에 대해 폐쇄되고, 라인(262, 264)에 대해서는 개방된다.
급수 밸브 조립체(258) 및 급수 밸브 조립체(260)는 모두 동일한 특징 및 기능을 갖는다. 그러므로, 본 명세서는 급수 밸브 조립체(258)의 특징에 대해서만 기술할 것이지만, 본 명세서가 급수 밸브 조립체(260)의 특징에 대해서도 유사하게 기술하는 것임을 이해해야 한다. 급수 밸브 조립체(258)는 입구 단부(302), 중앙 챔버(304), 접속부(306) 및 출구 단부를 포함할 수도 있다. 입구 단부(302)는 급수 라인(254)에 연결되어 있다. 급수 밸브 조립체(258)는 중앙 챔버(304)와 유체 연통되어 있는 접속부(306)를 거쳐서 급수 액세스 포트(212)에 연결되어 있다. 출구 단부는 고압 급수 공급 라인(262)에 연결되어 있다.
급수 밸브 조립체(258)는 또한 제 1 압력 체크 밸브(308) 및 제 2 압력 체크 밸브(310)를 포함한다. 제 1 압력 체크 밸브(308)는 입구 단부(302)와 중앙 챔버(304) 사이에 위치 설정된다. 제 2 압력 체크 밸브(310)는 중앙 챔버(304)와 출구 단부 사이에 위치 설정된다. 압력 체크 밸브(308, 310)는 모두 개략적으로 동일한 특징 및 기능을 포함하므로, 본 명세서는 제 1 압력 체크 밸브(308)에 대해 기술할 것이며, 본 명세서는 제 2 압력 체크 밸브(310)로 포함함을 이해해야 한다.
제 1 압력 체크 밸브(308)는 밸브 피스톤(312) 및 밸브 시트(314)를 포함한다. 밸브 피스톤(312)은, 밸브 피스톤(312)이 밸브 시트(314)와 직접 접촉할 때의 폐쇄 위치와, 밸브 피스톤(312)이 밸브 시트(314)와 접촉하지 않는 개방 위치 사이에서 작동한다. 밸브 피스톤(312)은 밸브 피스톤(312)을 가로질러 작용하는 정수압차 또는 바이어스 힘(biasing force)와 같은 물리적 힘 중 더 큰 것에 반응하여 폐쇄 위치와 개방 위치 사이에서 작동한다. 밸브 시트(314)는 밸브 시트(314)로부터 멀어지도록 연장되어 연장 플레이트(318)에서 종단되는 연장 스템(extension stem)(316)을 포함한다. 예컨대 원통형 압축 스프링인 스프링(320)은 연장 플레이트(318)와 밸브 시트(314) 사이에 위치 설정되며, 스프링(320)은 밸브 피스톤(312)을 밸브 시트(314)에 접하게 그리고 폐쇄 위치로 물리적으로 인도하는 바이어스 힘을 제공한다. 밸브 피스톤(312)이 폐쇄 위치에 있을 때, 밸브 피스톤(312) 및 밸브 시트(314)의 접촉면 사이에 유체 연통은 없다. 밸브 피스톤(312)이 예컨대 스프링(320)의 바이어스 힘보다 약간 큰 정수압차에 의해 밸브 시트(314)로부터 이동할 때, 밸브 피스톤(312)과 밸브 시트(314) 사이에 유체 경로가 형성된다.
선택적 특징에 있어서, 급수 밸브 조립체들(258)은 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같이 내부식성 성질을 갖는 폴리머로 대부분 제조될 수 있다.입구 단부(302) 및 출구 단부는 강성이지만 반드시 내부식성일 필요는 없는 재료로 제조되는 외부 지지 플레이트를 포함한다. 또한, 스프링(320)는 니켈-크롬 합금 또는 초합금(super alloys)과 같은 오스테나이트계 재료로 제조된다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 급구 액세스 포트(212, 213)는 복수의 포트이며, 각각의 포트는 개별적인 급수 밸브 조립체(258, 260)를 갖는다.
농축물 밸브 본체( concentrate valve body )
도 5에 도시된 바와 같이, 물 펌프(200)는 또한 선택적으로 에너지 회수 밸브라고 불리는 2개의 농축물 밸브 본체(400, 401)를 포함한다. 농축물 밸브 본체(400, 401)는 라인(218, 219)과 농축물 액세스 포트(242, 244), 각각의 농축물 작동 챔버(230, 232) 및 라인(250, 252)과의 사이에 위치 설정된다(도 1 참조). 농축물 밸브 본체(400, 401)의 구체적인 특징 및 기능은 상술한 바와 같이 농축물 작동 챔버와 고압 농축물 라인 사이의 구체적인 접속부만을 제외하고 동일하다. 그러므로, 본 명세서는 농축물 밸브 본체(400)에 대해서만 기술할 것인데, 본 명세서가 농축물 밸브 본체(401)도 포함함을 이해해야 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 농축물 밸브 본체(400)는 농축물 작동 챔버(230) 내로의 그리고 그로부터의 농축물의 유량을 제어하는 농축물 유량 제어 밸브(402, 502)를 포함한다. 농축물 밸브 본체(400)는 고압 입력 단부라고도 불리는 제 1 단부(404)를 갖는데, 제 1 단부(404)는 고압 농축물 라인(218)과 유체 연통된다. 농축물 밸브 본체(400)는 또한 저압 출력 단부라고도 불리는 제 2 단부(406)를 갖는데, 제 2 단부(406)는 저압 토출 라인(250)과 유체 연통된다. 두 단부 사이에는 측벽(208)을 통해 농축물 액세스 포트(242)를 거쳐서 농축물 작동 챔버(230)와 유체 연통되어 있는 중앙 챔버(414)가 있다.
농축물 밸브 본체(400)는 농축물 유량 제어 밸브(402, 502)를 포함한다. 농축물 유량 제어 밸브(402, 502)는 입구 밸브(402) 및 출구 밸브(502)라고도 한다. 입구 밸브(402)는 농축물 밸브 본체(400)의 제 1 단부(404)와 중앙 챔버(414) 사이에 위치 설정된다. 출구 밸브(502)는 중앙 챔버(414)와 제 2 단부(416) 사이에 배치된다.
입구 밸브(402)는 매니폴드 플레이트(427), 입구 밸브 시트(418) 및 입구 밸브 피스톤(416)을 포함한다. 매니폴드 플레이트(427)는 제 1 단부(404)와 중앙 챔버(414) 사이에 위치 설정된다. 매니폴드 플레이트(427)는 농축물 밸브 본체(400)의 내면을 가로질러 연장하고, 제 1 단부(404)와 고압 챔버(432) 사이에 유체 연통을 제공하는 고압 포트(430)를 포함한다. 고압 챔버(432)는 매니폴드 플레이트(427)와 입구 밸브 시트(418) 사이에 배치된다. 입구 밸브 시트(418)는 매니폴드 플레이트(427)와 중앙 챔버(414) 사이에 배치된다. 입구 밸브 시트(418)는 중앙 구멍 또는 일련의 구멍을 포함함으로써, 입구 밸브 피스톤(416)이 추가로 후술하는 바와 같이 입구 밸브 시트(418)로부터 이동할 때 유체가 고압 챔버(432)로부터 입구 밸브 시트(418)를 지나 중앙 챔버(414) 내로 흐를 수 있다.
입구 밸브 피스톤(416)은 매니폴드 플레이트(427)와 입구 밸브 시트(418) 사이에 배치된다. 입구 밸브 피스톤(416)은 매니폴드 플레이트(427)를 향하는 제 1 표면(419) 및 입구 밸브 시트(418)를 향하는 제 2 표면(421)를 갖는다. 제 2 표면(421)은 2개의 유효 표면적(effective surface area), 중앙 영역(423) 및 외측 링(425)을 형성하는 계단형 영역(417)을 포함한다. 제 2 표면(421)이 추가로 후술하는 바와 같이 입구 밸브 시트(418)에 안착될 때, 중앙 영역(423)은 입구 밸브 시트(418)와 직접 접촉하고, 외측 링(425)은 입구 밸브 시트(418)로부터 후퇴되어 있다.
매니폴드 플레이트(427)는, 단일 평면에서 작동하도록 입구 밸브 피스톤(416)의 운동을 개방 위치와 폐쇄 위치 사이로 제한하는 매니폴드 플레이트 연장부(434)를 포함한다. 매니폴드 플레이트 연장부(434)는 매니폴드 플레이트(434)로부터 중앙 챔버(414)를 향해 멀어지도록 연장된다. 매니폴드 플레이트 연장부(434)가 입구 밸브 피스톤(416) 둘레로 연장됨으로써, 입구 밸브 피스톤(416)이 매니폴드 플레이트(427)를 향하거나 그로부터 멀어지게 이동하도록, 그리고 그에 따라 입구 밸브 시트(418)를 향하거나 그로부터 멀어지게 이동하도록 입구 밸브 피스톤(416)의 움직임을 제한한다.
고압 챔버(432)는 추가로 후술하는 바와 같이 농축물 밸브 본체(400)의 내면, 매니폴드 플레이트(427) 및 매니폴드 플레이트 연장부(434)에 의해, 그리고 적어도 부분적으로는 입구 밸브 피스톤(416)에 의해 규정된다. 고압 포트(430)를 거쳐서, 매니폴드 플레이트(427)가 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)을, 제 1 단부(404)로부터 농축물 밸브 본체(404)에 유입하는 고압 농축물 유체 유동으로부터 격리시킨다.
선택적으로, 예컨대 압축 스프링인 입구 스프링(429)은 매니폴드 플레이트(427)와 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419) 사이에 이들과 접촉하여 위치 설정될 수 있다. 입구 스프링(429)은 입구 밸브 피스톤(416)을 입구 밸브 시트(418) 쪽으로 인도하는 물리적인 바이어스 힘을 제공한다.
입구 밸브 피스톤(416)은 입구 밸브 피스톤(416)의 제 2 표면(421)을 입구 밸브 시트(418)와 직접 접촉하게(이것을 폐쇄 위치라고 함) 위치 설정하도록 매니폴드 플레이트 연장부(434)의 범위 내에서 움직일 수 있다. 입구 밸브(402)가 폐쇄 위치에 있을 때, 입구 밸브 피스톤(416)과 입구 밸브 시트(418) 사이에 유체 연통이 없으며, 따라서 제 1 단부(404)와 중앙 챔버(414) 사이에 유체 연통이 존재하지 않는다. 나아가, 입구 밸브 피스톤(416)이 폐쇄 위치에 있을 때, 입구 밸브 피스톤(216)은 고압 챔버(432)를 규정하는데 도움이 된다(도 5 참조). 입구 밸브 피스톤(416)이 폐쇄 위치에 있을 때, 제 1 단부(404)와 중앙 챔버(414) 사이의 입구 유체 경로는 고압 챔버(432) 내에서 종단된다.
또한, 입구 밸브 피스톤(416)는 제 2 표면(421)을 입구 밸브 시트(418)로부터 멀어지게(이것을 개방 위치라고 함) 위치 설정하도록 움직일 수 있다. 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치에 있을 때, 입구 유체 유동 경로는 입구 밸브 피스톤(416)과 입구 밸브 시트(418) 사이에서 개방된다. 이러한 입구 유체 유동 경로는 제 1 단부(404)로부터 중앙 챔버(414)로의 그리고 궁극적으로는 농축물 작동 챔버(230)로의 유체 연통을 제공한다. 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치에 있을 때, 입구 밸브 피스톤(416)은 고압 챔버(432)를 규정하는 것에 단지 부분적으로 기여하는데, 이는 입구 유체 경로가 입구 밸브 피스톤(416)과 입구 밸브 시트(418) 사이에서 개방되기 때문이다. 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치에 있을 때, 제 1 단부(404)와 중앙 챔버 사이의 입구 유체 경로는 고압 챔버(432)를 통과한다.
입구 밸브(402)는 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 응답하는 입구 밸브 액추에이터(420)를 포함한다. 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 의해 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 작동한다.
입구 밸브 액추에이터(420)는 제어 유닛(100)으로부터의 전기 신호에 응답하는 솔레노이드(450)를 포함한다. 제어 유닛(100)으로부터의 전기 신호를 기초로, 솔레노이드(450)가 활성화됨으로써 공기 압축기(452)를 공기 라인(454)에 연결할 수 있다. 공기 라인(454)은 파일럿 밸브 본체(pilot valve body)(456)의 일 단부에 연결된다. 또한, 솔레노이드(450)가 비활성화됨으로써, 공기 라인(454)을 솔레노이드 밸브(450)의 통기 포트(도시 생략)에 연결할 수 있다. 파일럿 밸브 본체(456)는 가압 공기 라인(454)에 면하는 하나의 피스톤면을 갖는 파일럿 밸브 피스톤(458)을 포함한다. 파일럿 밸브 피스톤(458)은 또한 파일럿 밸브 스템(460)에 연결되는 반대측 피스톤면을 갖는다. 파일럿 밸브 스템(460)은 파일럿 밸브 피스톤(458)으로부터 멀어지도록 연장된다. 파일럿 밸브 스템(460)은 파일럿 밸브 챔버(462)를 통해 파일럿 밸브 피스톤(458)으로부터 멀어지도록 연장된다. 파일럿 밸브 스템(460)은 파일럿 밸브 챔버(462) 내에 어떠한 압력 또는 유체의 밀봉부를 형성하는 일 없이 파일럿 밸브 챔버(462) 내에서 이동할 수 있다.
3개의 개별 채널이 파일럿 밸브 챔버(462)로부터 분기하는데, 이들은 제 1 파일럿 챔버(464), 제 2 파일럿 챔버(466) 및 제 3 파일럿 챔버(468)이다. 제 1 파일럿 챔버(464)는 제 1 단부(404)에 연결되어, 제 1 단부(404)와 파일럿 밸브 챔버(462) 사이에 유체 연통을 제공한다. 제 2 파일럿 챔버(466)는 파일럿 밸브 챔버(462)와 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419) 사이에 연결된다. 제 2 파일럿 챔버(466)는 매니폴드 플레이트(427)를 통해 연장되어, 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)과 파일럿 밸브 챔버(462) 사이에 유체 연통을 제공할 수 있다. 제 3 파일럿 챔버(468)는 파일럿 밸브 챔버(462)와 중앙 챔버(414) 사이에 연결되어, 이들 사이에 유체 연통을 제공한다.
파일럿 밸브 챔버(462)는 또한 파일럿 볼 밸브(470), 입구 파일럿 볼 밸브 시트(472) 및 출구 볼 밸브 시트(474)를 포함한다. 파일럿 볼 밸브(470)는 입구 위치와 출구 위치 사이에서 이동할 수 있다. 파일럿 볼 밸브(470)가 입구 파일럿 볼 밸브 시트(472)에 안착될 때, 이것을 입구 위치라고 한다. 파일럿 볼 밸브(470)가 출구 파일럿 볼 밸브 시트(474)에 안착될 때, 이것을 출구 위치라고 한다. 도 5에서, 파일럿 볼 밸브(470)는 출구 위치에 있을 것으로 도시되어 있다.
파일럿 볼 밸브(470)가 입구 위치에 있을 때, 제 1 파일럿 챔버(464)와 제 2 파일럿 챔버(466) 사이에 유체 연통이 존재하지 않는다. 파일럿 볼 밸브(470)가 입구 위치에 있을 때, 제 2 파일럿 챔버(466)와 제 3 파일럿 챔버(468) 사이에 유체 연통이 존재한다.
파일럿 볼 밸브(470)가 출구 위치에 있을 때, 제 1 파일럿 챔버(464)와 제 2 파일럿 챔버(466) 사이에 유체 연통이 존재한다. 파일럿 볼 밸브(470)가 출구 위치에 있을 때, 제 1 단부(404)로부터 제 1 파일럿 챔버(464) 및 제 2 파일럿 챔버(466)를 통해 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)으로의 유체 경로가 개방된다. 이러한 유체 경로를 따르는 가압 농축물에 의해 입구 밸브 피스톤(416)이 입구 밸브 시트(418)와 직접 접촉하는 폐쇄 위치로 이동하게 된다.
출구 밸브(502)는 농축물 밸브 본체(400) 내에서 제 2 단부(406)와 중앙 챔버(414) 사이에 배치된다. 출구 밸브(502)는 매니폴드 플레이트(527), 출구 밸브 시트(518) 및 출구 밸브 피스톤(516)을 포함한다. 매니폴드 플레이트(527)는 제 2 단부(406)와 중앙 챔버(414) 사이에 위치 설정된다. 매니폴드 플레이트(527)는 농축물 밸브 본체(400)의 내면을 가로질러 연장되고, 중앙 챔버(414)와 압력 챔버(532) 사이에 유체 연통을 제공하는 유동 포트(530)를 포함한다. 압력 챔버(532)는 매니폴드 플레이트(527)와 출구 밸브 시트(518) 사이에 배치된다. 출구 밸브 시트(518)는 매니폴드 플레이트(527)와 제 2 단부(406) 사이에 배치된다. 출구 밸브 시트(518)는 출구 밸브 피스톤(516)보다 단면적이 적다. 출구 밸브 시트(518)는 중앙 구멍 또는 일련의 구멍을 포함함으로써, 출구 밸브 피스톤(516)이 추가로 후술하는 바와 같이 출구 밸브 시트(518)로부터 이동할 때 유체가 고압 챔버(532)로부터 입구 밸브 시트(518)를 지나 제 2 단부(406) 쪽으로 흐를 수 있다.
출구 밸브 피스톤(516)은 매니폴드 플레이트(527)와 출구 밸브 시트(418) 사이에 배치된다. 출구 밸브 피스톤(516)은 매니폴드 플레이트(527)를 향하는 제 1 표면(519) 및 출구 밸브 시트(518)를 향하는 제 2 표면(521)을 갖는다. 제 2 표면(521)은 2개의 유효 표면적, 중앙 영역(523) 및 외측 링(525)을 형성하는 계단형 영역(517)을 포함한다. 제 2 표면(521)이 추가로 후술하는 바와 같이 출구 밸브 시트(518)에 안착될 때, 중앙 영역(523)은 출구 밸브 시트(518)와 직접 접촉하고, 외측 링(525)은 출구 밸브 시트(518)로부터 후퇴되어 있다.
출구 밸브 피스톤(516)의 운동은 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 단일 평면에서 작동하도록 매니폴드 플레이트 연장부(534)에 의해 제한된다. 매니폴드 플레이트 연장부(534)는 매니폴드 플레이트(534)로부터 제 2 단부(406)를 향해 멀어지도록 연장되고, 매니폴드 플레이트 연장부(534)가 출구 밸브 피스톤(516) 둘레로 연장된다. 매니폴드 플레이트 연장부(534)는 출구 밸브 피스톤(516)이 매니폴드 플레이트(527)를 향하거나 그로부터 멀어지게 이동하도록, 그리고 그에 따라 출구 밸브 시트(518)를 향하거나 그로부터 멀어지게 이동하도록 출구 밸브 피스톤(516)의 움직임을 제한한다.
압력 챔버(532)는 추가로 후술하는 바와 같이 농축물 밸브 본체(400)의 내면, 매니폴드 플레이트(527) 및 매니폴드 플레이트 연장부(534)에 의해, 그리고 적어도 부분적으로는 출구 밸브 피스톤(516)에 의해 규정된다. 매니폴드 플레이트(527)는 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(519)을 중앙 챔버(414) 내의 농축물 유체 유동으로부터 격리시킨다.
선택적으로, 예컨대 원통형 압축 스프링인 출구 스프링(529)은 매니폴드 플레이트(527)와 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(521) 사이에 이들과 접촉하여 배치될 수 있다. 출구 스프링(529)은 출구 밸브 피스톤(516)을 출구 밸브 시트(518) 쪽으로 인도하는 물리적인 바이어스 힘을 제공한다.
출구 밸브 피스톤(516)은 출구 밸브 피스톤(516)의 제 2 표면(521)을 출구 밸브 시트(518)와 직접 접촉하게(이것을 폐쇄 위치라고 함) 위치 설정하도록 매니폴드 플레이트 연장부(534)의 범위 내에서 움직일 수 있다. 출구 밸브(274)가 폐쇄 위치에 있을 때, 출구 밸브 피스톤(516)과 출구 밸브 시트(518) 사이에 유체 연통이 없다. 출구 밸브 피스톤(516)이 폐쇄 위치에 있을 때, 제 2 단부(406)와 중앙 챔버(414) 사이에 유체 연통이 존재하지 않는다. 출구 밸브 피스톤(516)이 폐쇄 위치에 있을 때, 출구 밸브 피스톤(516)은 압력 챔버(532)를 규정하는데 기여한다(도 5 참조). 그러므로, 출구 밸브 피스톤(516)이 폐쇄 위치에 있을 때, 중앙 챔버(414)와 제 2 단부(406) 사이의 출구 유체 경로는 압력 챔버(532) 내에서 종단된다.
출구 밸브 피스톤(516)은 제 2 표면(521)을 출구 밸브 시트(518)로부터 멀어지게(이것을 개방 위치라고 함) 위치 설정하도록 움직일 수 있다. 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치에 있을 때, 출구 유체 유동 경로는 출구 밸브 피스톤(516)과 출구 밸브 시트(518) 사이에서 형성된다. 이러한 출구 유체 유동 경로는 중앙 챔버(414)로부터 제 2 단부(406)로의 그리고 궁극적으로는 폐기물 또는 재활용을 위한 라인(250)으로의 유체 연통을 제공한다. 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치에 있을 때, 출구 밸브 피스톤(516)은 압력 챔버(532)를 규정하는 것에 단지 부분적으로 기여하는데, 이는 출구 유체 경로가 출구 밸브 피스톤(516)과 출구 밸브 시트(518) 사이에서 개방되며 압력 챔버(532)가 제 2 단부(406)와 유체 연통되기 때문이다. 그러므로, 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치에 있을 때, 중앙 챔버(414) 사이의 출구 유체 경로는 압력 챔버(532)를 통과한다.
출구 밸브(502)는 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 응답하는 출구 밸브 액추에이터(520)를 포함한다. 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 의해 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 작동한다.
출구 밸브 액추에이터(520)는 제어 유닛(100)으로부터의 전기 신호에 응답하는 솔레노이드(550)를 포함한다. 제어 유닛(100)으로부터의 전기 신호를 기초로, 솔레노이드(550)가 활성화됨으로써 공기 압축기(552)를 공기 라인(554)에 연결할 수 있다. 공기 라인(554)은 출구 파일럿 밸브 본체(556)의 일 단부에 연결된다. 또한, 솔레노이드(550)가 비활성화됨으로써, 공기 라인(554)을 솔레노이드 밸브(550)의 통기 포트(도시 생략)에 연결할 수 있다. 출구 파일럿 밸브 본체(556)는 가압 공기 라인(554)에 면하는 하나의 피스톤면을 갖는 출구 파일럿 밸브 피스톤(558)을 포함한다. 출구 파일럿 밸브 피스톤(558)은 또한 출구 파일럿 밸브 스템(560)에 연결되는 반대측 피스톤면을 갖는다. 출구 파일럿 밸브 스템(560)은 출구 파일럿 밸브 피스톤(558)으로부터 멀어지도록 연장된다. 출구 파일럿 밸브 스템(560)은 출구 파일럿 밸브 챔버(562)를 통해 출구 파일럿 밸브 피스톤(558)으로부터 멀어지도록 연장된다. 출구 파일럿 밸브 스템(560)은 출구 파일럿 밸브 챔버(562) 내에 어떠한 압력 또는 유체의 밀봉부를 형성하는 일 없이 출구 파일럿 밸브 챔버(562) 내에서 이동할 수 있다.
3개의 개별 채널이 출구 파일럿 밸브 챔버(562)로부터 분기하는데, 이들은 제 1 출구 파일럿 챔버(568), 제 2 출구 파일럿 챔버(566) 및 제 3 출구 파일럿 챔버(564)이다.
제 1 출구 파일럿 챔버(568)는 파일럿 밸브 챔버(562)와 중앙 챔버(414) 사이에 연결되어, 이들 사이에 유체 연통을 제공한다. 제 2 출구 파일럿 챔버(566)는 출구 파일럿 밸브 챔버(562)와 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(519) 사이에 연결된다. 제 2 출구 파일럿 챔버(566)는 매니폴드 플레이트(527)를 통해 연장될 수 있다. 제 2 출구 파일럿 챔버(566)는 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(519)과 출구 파일럿 밸브 챔버(562) 사이에 유체 연통을 형성한다. 제 3 출구 파일럿 챔버(564)는 제 2 단부(406)와 출구 파일럿 밸브 챔버(562) 사이에 연결되어, 이들 사이에 유체 연통을 형성한다.
출구 파일럿 밸브 챔버(562)는 또한 출구 파일럿 볼 밸브(570), 입구 파일럿 볼 밸브 시트(572) 및 출구 볼 밸브 시트(574)를 포함한다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)는 입구 파일럿 볼 밸브 시트(572)에 안착될 수 있는데, 이것을 입구 위치라고 한다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)는 또한 출구 파일럿 볼 밸브 시트(574)에 안착될 수 있는데, 이것을 출구 위치라고 한다.
출구 파일럿 볼 밸브(570)가 입구 위치에 있을 때, 중앙 챔버(414)와 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(519) 사이에 유체 연통이 존재한다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)가 입구 위치에 있을 때, 제 2 출구 파일럿 챔버(566)와 제 3 출구 파일럿 챔버(564) 사이에 유체 연통이 존재하지 않고, 출구 밸브 피스톤(516)은 폐쇄 위치에 있게 된다.
출구 파일럿 볼 밸브(570)가 출구 위치에 있을 때, 중앙 챔버(414)와 제 2 출구 파일럿 챔버(566) 및 제 3 출구 파일럿 챔버(564) 중 어느 하나와의 사이에 유체 연통이 존재하지 않는다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)가 출구 위치에 있을 때, 제 2 출구 파일럿 챔버(566)와 제 3 출구 파일럿 챔버(564) 사이에 유체 연통이 형성된다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)가 출구 위치에 있을 때, 출구 밸브 피스톤(516)은 개방 위치에 있다. 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치에 있을 때, 중앙 챔버(414)로부터 토출 유동 포트(530) 및 압력 챔버(532)를 통해 제 2 단부(406)로 흐르는 출구 유체 통로가 제공된다.
농축물 밸브 본체(400)의 선택적 특징에 있어서, 농축물 밸브 본체(400)는 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같이 내부식성 성질을 갖는 폴리머로 대부분 제조될 수 있다. 제 1 및 제 2 단부(404, 406)는 SS316 스테인리스 강과 같은 강성의 내부식성 재료로 제조된 외부 지지 플레이트를 포함할 수 있다. 또한, 입구 스프링(429) 및 출구 스프링(529)은 니켈-크롬 합금 또는 초합금과 같은 오스테나이트계 재료로 제조될 수 있다. 입구 밸브 피스톤(416) 및 출구 밸브 피스톤(516)은 폴리옥시메틸렌 또는 폴리에테르이미드와 같은 내부식성 폴리머로 제조된다. 입구 밸브 시트(418) 및 출구 밸브 시트(518)는 AL6XN 스테인리스 강과 같은 오스테나이트계 재료로 제조될 수 있다.
농축물 밸브 본체(400)의 추가의 선택적 특징에 있어서, 압력 챔버(532)는 압력 방출 시스템(600)을 포함한다. 압력 방출 시스템(600)은 출구 압력 방출 밸브(602) 및 출구 압력 방출 챔버(604)를 포함한다. 출구 압력 방출 밸브(602)는, 도 5에 도시된 바와 같이 압력 챔버(532)와 출구 단부(406) 사이에 위치 설정된다. 출구 압력 방출 챔버(604)는 압력 챔버(532)와 출구 단부(406) 사이에 유체 연통을 제공한다. 출구 압력 방출 밸브(602)는, 압력 챔버(532) 내의 압력이 설정점, 예컨대 500psi 내지 1000psi를 초과하여 증가할 때에 작동하는 임의의 타입의 공지 압력 방출 밸브일 수 있다. 출구 압력 방출 밸브(602)의 구동은 압력 챔버(532)로부터 출구 단부(406)로의 유체 연통을 허용할 것이다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 파일럿 밸브 본체(456, 556)는 파일럿 밸브 피스톤(458, 558)을 파일럿 볼 밸브(470, 570)로부터 멀어지게 물리적으로 인도하기 위해 바이어스 힘을 제공하는 스프링(도시 생략)을 포함한다. 파일럿 밸브 스템(460, 560)은 유사하게 이 바이어스 힘 하에서 파일럿 볼 밸브로부터 멀어지게 이동할 것이다. 이 스프링의 바이어스 힘은 라인(454, 554)에의 이송된 공기 압력, 예컨대 100psi보다 낮으며, 이에 따라 이 스프링은 피스톤면에 이송된 공기 압력이 없을 때에만 파일럿 밸브 피스톤(458, 558)을 물리적으로 이동시킬 것이다.
제어 유닛
제어 유닛(100)은 멀티 프로세서 기반형 컴퓨팅 시스템으로서, 하나 이상의 프로세서 또는 마이크로프로세서와, 마이크로 컴퓨터와, 제어 코드를 실행하며 시스템(10)을 제어 및 모니터링하도록 프로그래밍하는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array)를 구비한다. 제어 유닛(100)은 유압 펌프(12)의 유압 출력을 제어 및 모니터링한다. 제어 유닛(100)은 또한 내측 피드백 루프(108) 및 외측 피드백 루프(120)로부터 왕복 운동 조립체(300)의 위치에 관한 정보를 제어 및 모니터링한다.
제어 유닛(100)은 유압 펌프(12)의 유압 출력을 제어하기 위해 다양한 프로그램을 실행함으로써, 속도 프로파일이라고도 하는 타이밍 프로토콜(timing protocol)(130)에 따라 왕복 운동 조립체(300)의 속도 및 위치를 조절한다. 타이밍 프로토콜(130)은 제어 유닛(100)의 비휘발성 메모리에 저장된 일련의 알고리즘이다. 제어 유닛(100)은 출력 명령을 유압 펌프(12)에 송신해서 스와시 플레이트(70)의 각도를 변경하는데, 이에 의해 유압 펌프(12)의 유압 출력이 조절된다(타이밍 프로토콜(130)도 기초로 함).
타이밍 프로토콜(130)은 2가지의 특징을 포함하는데, 첫번째 특징은 조립체 시퀀스(assembly sequence)(132)에 의해 왕복 운동 조립체(300)의 희망 위치를 규정한다. 타이밍 프로토콜(130)의 두번째 특징은 밸브 시퀀스(valve sequence)(134)에 의해 정해진 순서에 따라 농축물 밸브 본체(400, 401)의 개방 및 폐쇄를 조정한다. 조립체 시퀀스(132) 및 밸브 시퀀스(134)는, 각 왕복 운동 조립체(300)의 움직임이 다른 왕복 운동 조립체(300)의 움직임과 조화를 이루어 일정한 유량의 고압 급수가 담수화 처리부로 이송될 수 있는 것을 보장하도록 제어 유닛(100)에 의해 조정된다. 나아가, 조립체 시퀀스(132) 및 밸브 시퀀스(134)는, 정확한 농축물 밸브 본체(400, 401)가 적절히 구동되어 정확한 시간에 농축물 작동 챔버(230, 232) 내외로의 고압 농축물의 유동을 허용함으로써 왕복 운동 조립체(300)의 운동에서 가장 큰 효율의 에너지 회수를 보증하는 것을 보장하도록 제어 유닛(100)에 의해 조정된다.
조립체 시퀀스(132)에 따르면, 제어 유닛(100)이 유압 펌프(12)의 유압 출력 및 그에 따른 왕복 운동 조립체(300)의 위치를 조정한다.
조립체 시퀀스(132)의 조건 내에서 왕복 운동 조립체(300)를 이동시키는데 도움이 되기 위해서, 제어 유닛(100)은 도 6에 도시된 바와 같이 내측 피드백 루트(108) 및 외측 피드백 루프(120)로부터 정보를 수신한다. 내측 피드백 루프(108)는 유압 펌프(12)의 유압 출력의 속도 및 방향을 간접적으로 탐지하는 센서(112)를 포함한다. 선택적으로, 센서(112)는 일정한 회전 속도로 작동하는 유압 트랜스미션(transmission)을 사용할 때 스와시 플레이트의 각도를 측정할 수 있다. 이러한 예에서, 센서(112)는 유압 펌프(12)의 입력 샤프트(60)와 스와시 플레이트(70) 사이의 각도를 측정하는 회전 전위차계(rotational potentiometer)일 수 있다. 센서(112)는, 탐지된 각도 정보를 예컨대 전압, 전류 등의 변화와 같은 전기 신호에 의해 제어 유닛(100)에 제공하는, 관련 기술 분야에서 공지된 임의의 적절한 센서를 사용하여 실현된다.
센서(112)로부터 각도 정보를 수신하면, 제어 유닛(100)은, 왕복 운도 조립체(300)가 조립체 시퀀스(132)에 따라 움직이는 것을 보장하는데 필요한 유압 펌프(12)의 유압 출력을 결정한다.
예컨대, 제어 유닛(100)은 내측 피드백 루프로부터 각도 정보를 수신하여, 스와시 플레이트(70)가 정확한 각도 위치에 있는지 여부를 결정함으로써, 조립체 시퀀스(132) 속도 프로파일 알고리즘과의 비교에 의해 주어진 기간 내에서의 정확한 유압 출력을 제공한다. 예컨대, 유압 펌프(12)의 유압 출력이 정확하지 않으면, 정확하지 않다는 것은 유압 펌프(12)의 유압 출력이 조립체 시퀀스(132)에 매칭되기에 너무 많거나 또는 너무 적은 유압 출력을 제공하고 있어서, 유압 펌프(12)의 유압 출력을 보정하기 위해 스와스 플레이트(70)의 각도를 변경하여 상향 경사 또는 하향 경사지게 할 수 있음을 의미한다. 스와시 플레이트(70)의 각도와 유압 펌프(12)의 유압 출력 사이의 관계는 제어 유닛(100)의 메모리에서 조정 및 저장된다.
제어 유닛(100)은 또한 외측 피드백 루프(120)로부터 정보를 수신한다. 외측 피드백 루트(120)는 도 6의 센서(122)로서 개략적으로 도시된 제 2 센서를 포함하는데, 이 제 2 센서는 피스톤 로드(14)의 위치 및 그에 따른 왕복 운동 조립체(300)의 위치를 직접 또는 간접적으로 탐지한다. 예컨대, 센서(122)는 피스톤 로드(14)의 위치에 관한 위치 정보를 제어 유닛(100)에 제공하는 위치 센서이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 위치 센서(122)는, 피스톤 로드(14)에 연결되며 유압 실린더(18)의 후방 단부로부터 연장되는 로드(30)에 인접하여 위치설정될 수도 있다. 그러나, 이러한 위치는 단지 예일 뿐이며, 따라서, 위치 센서(122)는 피스톤 로드(14), 왕복 운동 조립체(300) 또는 다른 구성요소에 따른 어떠한 위치에도 배치될 수 있다. 위치 센서는, 피스톤 로드(14)의 실제 선형 위치를 예컨대 전압, 전류 등의 변화와 같은 전기 신호에 의해 제어 유닛(100)에 제공하는 선형 가변 차동 변환기(linear variable differential transformer) 센서와 같은 관련 기술 분야에서 공지된 임의의 선형 위치 센서를 사용하여 실현될 수 있다.
조화 처리( Co - ordination process )
작동 시에, 시스템(10)은 왕복 운동 조립체(300)의 운동이 농축물 밸브 본체(400, 401)의 구동과 조화를 이루도록 제어 유닛(100)을 사용함으로써 최고의 에너지 효율을 성취하고 압력 축적을 회피한다.
센서(122)에 의해 제공되는 외측 피드백 루프(120)의 위치 정보는 제어 유닛(100)으로 보내진다. 위치 정보는, 예컨대 매 0.1ms 내지 10ms마다, 보다 구체적으로는 매 1ms 내지 2ms마다 정기적으로 제공되며, 제어 유닛(100)은 실제 위치값으로 불리는 이러한 실제 위치 정보를, 조립체 시퀀스(132)에 의해 결정되는 왕복 운동 조립체(300)의 이상 위치값(152)과 비교한다. 제어 유닛(100)은 감산기를 사용하여 이상 위치값(152)에서 실제 위치값(150)을 빼서 제 1 차이값(155)을 만든다. 승산기(157)가 제 1 차이값(155)에 이득 계수(Ka)를 곱해서 제 1 승산값(159)을 만든다. 이득 계수(Ka)는 왕복 운동 조립체 위치의 과도한 오버슈트(overshoot) 또는 언더슈트(undershoot) 없이 시스템의 적절한 기능성을 보장하는 초기 조정 및 정렬 처리에 의해 결정된다. 현재 위치값(150)은 또한 전자 제어기 유닛(100)에 의해 저장되고, 앞선 1ms의 샘플로부터의 왕복 운동 조립체의 이전 위치값(158)과 비교된다. 감산기(160)를 사용하여, 제어 유닛(100)이 이전 위치값(158)에서 현재 위치값(150)을 빼고, 제어 유닛(100)에 대한 공지의 1ms 샘플 윈도우가 실제 속도값(162)을 계산한다. 감산기(164)는 이상 속도값(170)을 계산하기 위해 현재의 이상 위치값(152)과 이전 1ms에 대한 이상 위치값(168)을 감산한다. 감산기(172)는 이상 속도값(170)에서 실제 속도값(162)을 빼서 제 2 차이값(174)을 만든다. 승산기(178)가 차이값(174)에 이득 계수(Kv)(176)를 곱해서 제 2 승산값(180)을 만든다. 이득 계수(Kv)(176)는 과도한 오버슈트 또는 언더슈트 없이 시스템의 적절한 기능성을 보장하는 초기 조정 및 정렬 처리에 의해 결정된다. 제 1 승산값(159) 및 제 2 승산값(180)이 가산기(182)에 의해 더해져서 합계값(184)을 만든다. 합계값(184)은 양수 또는 음수일 수 있다. 합계값(184)이 양수이면, 제어 유닛(100)은 스와시 플레이트 명령(186)을 유압 펌프(12)에 보내서, 유압 펌프(12)의 유압 출력에 의해 왕복 운동 조립체(30)가 제 1 방향으로 움직이도록 스와시 플레이트(70)의 각도를 변화시킬 것이다. 합계값(184)이 음수이면, 하위 제어기(190)는 유압 펌프(12)의 유압 출력에 의해 왕복 운동 조립체(30)가 제 2 방향으로 움직이도록 스와시 플레이트(70)의 각도를 변화시키는 스와시 플레이트 명령(186)을 보낼 것이다.
센서(112)로부터의 스와시 플레이트 각도 정보는 유압 펌프(12)의 유압 출력에 관한 정보를 제어 유닛(100)의 하위 제어기(190)에 제공한다. 제어 유닛(100)은 이러한 각도 정보를 사용하여, 제어 유닛(100) 출력 명령(186)에 의해 결정되는 위치로의 스와시 플레이트(70)의 이동을 촉진한다. 이러한 내측 제어 루프(108)는 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 대한 유압 펌프(12)의 반응성을 향상시키기 위해 스와시 플레이트(70)의 운동에 대한 더 큰 가속을 제공한다.
각각의 왕복 운동 조립체(300)는 유압 펌프(12)를 사용하여 폐쇄 루프 방식으로 작동한다. 그러므로, 가속도, 일정 속도 및 감속도와 같은 왕복 운동 조립체(300)의 운동은 유압 펌프(12)의 유압 출력에 대한 정밀 제어에 의해 제어되어 조립체 시퀀스(132)를 재현할 수 있다.
예시적인 조립체 시퀀스(132)가 도 7에 도시되어 있는데, 여기에는 왕복 운동 조립체 펌핑 사이클의 1초 예가 도시되어 있다. 일점쇄선(700)은 제 1 왕복 운동 조립체(300)의 시간에 따른 속도를 나타낸다. 점선(702)은 제 2 왕복 운동 조립체(300')의 시간에 따른 속도를 나타낸다. 실선(704)은 제 3 왕복 운동 조립체(300")의 시간에 따른 속도를 나타낸다.
제 1 왕복 운동 조립체(300)에 초점을 맞추면, 10ms의 시간에서, 제 1 왕복 운동 조립체(300)는 제 1 방향으로의 이동의 끝에, 완전히 연장된 위치에 있다. 펌프 사이클은 제 2 방향으로의 스트로크와 함께 개시되는데, 이 스트로크 동안에 왕복 운동 조립체(300)는 기간(T1) 동안 휴지 상태(0의 속도)로부터 예컨대 -6in/sec의 속도(-V)까지 선형적으로 가속된다. 그 후에, 속도(-V)가 기간(T2) 동안 유지되며(일정 속도 기간), 이때 왕복 운동 조립체(300)는 제 2 방향으로의 스트로를 계속한다. 왕복 운동 조립체(300)가 제 2 방향으로의 스트로크의 끝에 접근함에 따라, 감속 기간(T3)이 시작되며, 이 기간 동안에 왕복 운동 조립체(300)는 속도(-V)로부터 0까지 감속한다. 왕복 운동 조립체(300)가 제 2 방향으로의 운동의 마지막에 정지되면, 단기 체류 시간(T4) 동안 정지 상태를 유지한다. 단기 체류 시간(T4)은 예컨대 200ms 동안 지속될 수 있다. 왕복 운동 조립체(300)가 제 1 방향으로의 스트로크를 시작함에 따라, 왕복 운동 조립체(300)는 기간(T5) 동안 제 1 방향으로 예컨대 6in/sec의 속도(V)까지 선형적으로 가속된다. 그 후, 속도(V)는 기간(T6) 동안 유지되며(일정 속도 주기), 이때 왕복 운동 조립체(300)는 후진 스크로크를 계속한다. 왕복 운동 조립체(300)가 이 스트로크의 끝에 접근함에 따라, 감속 기간(T7)이 시작되며, 이 기간 동안에 왕복 운동 조립체(300)는 속도(V)로부터 0까지 감속한다. 왕복 운동 조립체(300)가 후진 스트로크의 마지막에 정지되면, 제 2 단기 체류 시간(T8) 동안 정지 상태를 유지한다.
상술한 바와 같이, 왕복 운동 조립체(300)의 운동은 조립체 시퀀스(132)에 따라 3개의 개별 왕복 운동 조립체(300, 300', 300")를 이동시켜서 고압이면서 역삼투막 유닛(216)에 일정하게 이송되는 급수를 생성하는 제어 유닛(100)에 의해 제공되는 신호에 의해 결정되는데, 이는 라인(706)으로 표시되어 있으며, 3개의 왕복 운동 조립체의 절대 속도 합계이다. 일정 속도로 그러한 고압을 제공하기 위해, 3개의 왕복 운동 조립체(300, 300', 300")는 서로에 대해 120°씩 위상이 벗어나 있다.
물 펌프(200) 내의 다양한 챔버를 통한 급수 및 농축물의 흐름을 촉진하기 위해, 급수 밸브 조립체(258, 260) 및 농축물 밸브 본체(400, 401)의 구동이 왕복 운동 조립체(300)의 운동과 조화를 이룬다.
선택적 특징에 있어서, 시스템(10)은 4개 이상의 유압 펌프(12), 물 펌프(200), 및 4개 이상의 왕복 운동 조립체(300)를 포함한다. X가 왕복 운동 조립체의 수를 나타내는 경우, 360/X는 왕복 운동 조립체(300)들이 서로에 대해 위상이 벗어나 있는 각도의 수이다. 예컨대, 12개의 유압 펌프, 12개의 물 펌프(200) 및 12개의 왕복 운동 조립체(300)가 있는 경우, 왕복 운동 조립체(300)의 운동은 서로에 대해 30°(360/12)씩 위상이 벗어나 있어서, 고압 급수의 일정한 이송을 역삼투막 유닛(216)에 제공한다.
급수 밸브
왕복 운동 조립체 복합체(300)가 제 1 방향으로 운동할 때, 급수 작동 챔버(228)의 체적이 감소될 것이다. 압력의 축적을 방지하기 위해서는, 챔버(228) 내의 급수가 급수 밸브 조립체(258)의 구동에 의해 출구(212)를 거쳐서 토출되어야만 한다. 급수 작동 챔버(228)의 체적이 감속되면, 챔버 내의 압력이 증가하고, 급수 밸브 조립체(258)의 중앙 챔버(304) 내의 압력도 증가한다. 이러한 압력의 증가에 의해 제 1 압력 체크 밸브(308)가 폐쇄될 것인데, 이는 중앙 챔버 내의 압력이 피스톤(312)의 입구면에 작용하는 압력(P1)보다 더 큰 압력(P2)이기 때문이다. 이에 의해 제 1 압력 체크 밸브(308)가 폐쇄되고 라인(254) 내로의 급수의 역류가 일어나지 않게 된다. 급수 밸브 조립체(258)의 중앙 챔버(304) 내의 압력의 증가에 의해, 제 2 압력 체크 밸브(310)가 개방될 것이다. 밸브 피스톤(312)의 면을 가로지르는 압력차는 중앙 챔버(304) 내의 압력(P2) 및 출구 단부에서의 저압에 의해 야기된다. 이러한 압력차는 스프링(320)의 바이어스 힘을 극복하여, 밸브 피스톤(312)이 밸브 시트(314)로부터 이동하게 되고, 급수 작동 챔버(228) 내부로부터의 유체가 빠져나와 중앙 챔버(304)를 통과하고, 제 2 압력 체크 밸브를 통해, 출구(314)를 지나, 그리고 라인(262)을 따라, 대략 압력(P2)을 유지하는 역삼투막 유닛(216)에 도달한다.
급수가 제 1 방향으로의 왕복 운동 조립체(300)의 운동에 의해 급수 작동 챔버(228)로부터 토출될 때, 급수 작동 챔버(234)의 체적은 증가한다. 이에 의해 급수 밸브 조립체(260)의 중앙 챔버(304) 내의 압력이 감소하게 된다. 이러한 급수 작동 챔버(234) 내의 압력의 감소는 중앙 챔버에서도 발생한다. 이러한 압력 감소에 의해 제 1 압력 체크 밸브(312)가 개방 위치로 이동하게 되는데, 이는 중앙 챔버(304)와 입구 단부(302) 사이의 압력차가 스프링(312)의 바이어스 힘을 이기기 때문이다. 이 압력차가 스프링(320)의 바이어스 힘을 극복하면, 밸브 피스톤(312)이 밸브 시트(314)로부터 이동하며, 이에 의해 급수가 급수원(216)으로부터 챔버(234)로 유입되는 경로가 형성된다.
농축물 유량 제어 밸브
고압 농축물은 주기적으로 입구(404)를 거쳐서 밸브 본체(400)로 유입될 수 있는데, 이를 유입 단계(inlet phase)라고 한다. 이 고압 농축물은 밸브 본체(427)에 유입하여 매니폴드 플레이트(427) 주위로 흘러서 고압 챔버(432)에 유입한다. 유입 단계의 개시 시에, 입구 밸브 피스톤(416)은 폐쇄 위치에 있고, 파일럿 볼 밸브(470)는 출구 위치에 있다. 고압 챔버(432)로의 고압 농축물의 유동이 입구 밸브 피스톤(416)의 외측 링(425)에 작용한다. 입구 위치로의 파일럿 볼 밸브(470)의 이동으로 인해 중앙 챔버(414) 및 제 2 파일럿 챔버(466) 내의 정수압이 같아질 것이다. 그러므로, 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)에 작용하는 정수압은 중앙 챔버(414) 내의 정수압과 같다. 유입 단계의 초기에는 중앙 챔버(414) 내의 정수압이 고압 챔버(432) 내의 고압 농축물의 정수압보다 낮다. 그러므로, 외측 링(425)에 작용하는 정수압은 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)에 작용하는 압력보다 크다. 이러한 압력차에 의해 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치로 이동하게 된다.
고압 농축물이 입구 밸브 시트(418)의 영역을 통해 흐를 때, 난류가 발생하여 손실 수두를 초래할 수 있다. 이러한 손실 수두로 인해, 입구 밸브 피스톤(416)이 개방 위치에 있는 경우에도, 중앙 챔버(414) 내의 정수압이 고압 챔버(432) 내의 정수압보다 낮다. 외측 링(425)은 중앙 영역(423)으로부터 후퇴되어 있으므로, 손실 수두의 적어도 실질적인 부분의 상류측에 위치한다. 그러므로, 외측 링(425)에 작용하는 압력은 중앙 챔버(414) 내의 압력보다 큰 상태를 유지한다. 또한, 외측 링에 작용하는 정수압은 입구 스프링(429)의 물리적인 바이어스 힘보다 크다. 고압 챔버(432)로부터 중앙 챔버(414)로의 고압 농축물의 유동에 의해 입구 밸브 피스톤(416)이 개방된 상태를 유지할 수 있다.
유입 단계 동안, 제어 유닛(100)은 농축물 밸브 본체(400, 401)의 전기적으로 제어되는 액추에이터(420, 520)에 전기 신호를 보낸다. 상술한 바와 같이, 입구 액추에이터(420)와 출구 액추에이터(520) 양자 모두는 제어 유닛(100)으로부터의, 예컨대 전압, 전류 등의 변화와 같은 전기 신호에 응답한다. 제어 유닛(100)으로부터의 명령에 응답하여, 농축물 밸브 본체(400)가 예컨대 파일럿 볼 밸브(470)의 위치를 구동하고, 출구 파일럿 볼 밸브(570)는 출구 위치로부터 입구 위치로 바뀔 수 있다.
유입 단계 동안, 제어 유닛(100)은 전기 신호를 입구 밸브 액추에이터(420)에 보낸다. 입구 밸브 액추에이터(420)는 솔레노이드(450)를 구동하여, 입구 공기 압축기(452)가 파일럿 밸브 피스톤(458)에 작용하게 한다. 파일럿 밸브 피스톤(458)에 작용하는 공기압에 의해 파일럿 밸브 스템(460)이 파일럿 볼 밸브(470)를 입구 위치로 인도하게 된다.
제 2 파일럿 챔버(466) 내의 고압 농축물의 정수력(hydrostatic force) 및 입구 스프링(429)의 물리적인 바이어스 힘이 모두 입구 밸브 피스톤(416)의 제 1 표면(419)에 작용한다. 파일럿 볼 밸브(470)가 입구 위치에 있을 때, 제 2 파일럿 챔버(466)는 파일럿 밸브 챔버(466) 및 제 3 파일럿 챔버(468)와 유체 연통된다. 이러한 유체 연통에 의해 제 2 파일럿 챔버(466) 내의 임의의 농축물 유동이 중앙 챔버(414) 내로 유입될 수 있다.
파일럿 볼 밸브(470)의 운동은 중앙 챔버(414) 내의 정압에 의해 제 1 표면(419)에 작용하는 정수력과 균형을 이룬다.
유입 단계 동안, 출구 밸브 피스톤(516)은 폐쇄 위치에 있고, 이에 의해 중앙 챔버(414)에 유입한 고압 농축물이 포트(242)에 유입하도록 인도된다.
유입 단계 동안, 고압 농축물은 중앙 챔버(414)를 통해 흘러서 제 1 출구 파일럿 챔버(568) 및 출구 파일럿 밸브 챔버(542)에 유입하여, 출구 볼 밸브(570)를 입구 파일럿 볼 밸브 시트(572), 즉 입구 위치에 안착시킨다. 유입 단계 동안, 제어 유닛(100)은 출구 파일럿 밸브 피스톤(558)에 작용하는 압력을 감소시킨다. 그러므로, 출구 파일럿 밸브 스템(560)은 출구 파일럿 밸브 챔버(542) 내의 고압 농축물에 대항하여 출구 파일럿 볼 밸브(570)에 작용하지 않는다.
출구 볼 밸브(570)가 입구 위치에 있을 때, 제 3 파일럿 챔버(568)와 제 2 파일럿 챔버(566) 사이에 유체 연통이 존재하여, 고압 농축물이 중앙 챔버(414)로부터 제 2 출구 파일럿 챔버(566)로 흘러서 출구 밸브 피스톤(516)의 제 1 표면(519)에 작용한다. 유입 단계 동안, 고압 농축물은 또한 매니폴드 플레이트(527) 주위로 흘러서 유동 포트(530)를 통해 압력 챔버(532) 내로 유입한다. 제 1 표면(519)에 작용하는 고압 농축물과 출구 스프링(529)의 결합된 압력이 외측 링(525)에 작용하는 고압 농축물의 힘보다 크고 출구 밸브 피스톤(516)이 폐쇄 위치에 있다. 상술한 바와 같이, 출구 밸브 피스톤(516)이 폐쇄 위치에 있는 경우, 압력 챔버(532)와 농축물 밸브 본체(400)의 출구 단부 사이에 유체 연통이 제공되지 않는다.
주기적으로, 밸브 본체(400)는 유출 단계(outlet phase)를 겪는다. 유출 단계 동안, 입구(404)에서 밸브 본체(400)에 유입하는 고압 농축물의 유동은 거의 없다. 또한, 포트(242)로부터 중앙 챔버(414)로의 유체의 유동이 존재한다. 고압 챔버(432) 내에서의 고압 농축물의 유동이 거의 없기 때문에, 입구 밸브 피스톤(416)이 폐쇄 위치로 이동할 수 있다.
유출 단계 동안, 출구 밸브 피스톤(516)은 유입 단계 동안의 입구 밸브 피스톤(416)과 유사한 방식으로 개방될 수 있다. 중앙 챔버(414)로부터 압력 챔버(532)로의 농축물의 유동은 출구 밸브 피스톤(516)의 외측 링에 작용할 것이다. 이러한 농축물의 유동은 출구(406) 내의 압력 및 제 1 표면(519)에 작용하는 정수압보다 큰 정수압을 갖는다. 그러므로, 출구 밸브 피스톤(516)이 개방 위치로 이동한다. 유사하게, 출구 밸브 시트(518)의 영역을 통과하는 농축물의 유동은 손실 수두를 나타낼 것이다. 외측 링이 손실 수두의 적어도 실질적인 부분의 상류측에 위치하기 때문에, 중앙 챔버(414)로부터 출구(406)로의 농축물의 일정한 유동 동안 출구 밸브 피스톤이 개방 상태를 유지할 수 있다.
유출 단계 동안, 제어 유닛(100)은 중앙 챔버(414)로부터의 농축물의 토출 또는 유출을 허용하는 전기 신호를 송신할 수 있다.
제어 유닛(100)으로부터의 명령 하에서, 공기 압축기(450)는 입구 파일럿 밸브 피스톤(458)에 작용하는 어떠한 공기압도 라인(454)을 통해 제공하지 않아서, 파일럿 볼 밸브(470)는 출구 위치로 인도된다. 파일럿 볼 밸브(470)가 출구 위치에 있을 때, 제 1 파일럿 챔버(464)와 제 2 파일럿 챔버(466) 사이에 유체 연통이 존재한다. 입구 밸브 피스톤(416)이 폐쇄 위치에 있는 경우, 고압 챔버(432)와 중앙 챔버(414) 사이에는 유체 연통이 존재하지 않아서, 입구 단부(404)로부터 중앙 챔버(414)로 고압 농축물이 흐르지 않는다.
유출 단계 동안, 제어 유닛(100)은 출구 액추에이터(520)로 하여금 출구 파일럿 밸브 피스톤(538)의 면에 압력을 제공하게 하며, 이에 의해 출구 파일럿 밸브 스템(560)이 출구 파일럿 볼 밸브(570)를 출구 파일럿 밸브 시트(574), 즉 출구 위체로 물리적으로 인도한다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)를 출구 위치로 인도하는 출구 파일럿 밸브 스템(560)의 물리적 힘은 농축물이 포트(242)를 빠져나갈 때의 농축물의 정수압보다 크며, 제 3 파일럿 챔버(564)를 거쳐서 출구 파일럿 볼 밸브(570)에 작용한다. 출구 파일럿 볼 밸브(570)가 출구 위치에 있는 동안, 제 2 출구 파일럿 챔버(566)가 제 3 출구 파일럿 챔버(564)와 유체 연통된다. 출구 밸브 피스톤(516)의 외측 링(525)에 작용하는 압력 챔버(532) 내의 농축물의 정수압은 제 1 표면(519)에 작용하는 힘의 총량보다 커서, 출구 밸브 피스톤(516)이 출구 밸브 시트(518)로부터 이동하여, 농축물 작동 챔버(232)를 빠져나가는 농축물이 중앙 챔버(414)로부터 농축물 밸브 본체(400)의 출구 단부(406)로 흐른다.
왕복 운동 조립체(300)가 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 이동할 때, 급수 밸브 본체(258, 260) 및 농축물 밸브 본체(400, 401)의 구동이 반전되어야만 한다. 압력 변화에 응답하여, 급수 밸브 본체(258)가 급수원(110)으로부터 급수 작동 챔버(228)로의 급수의 유동을 허용하도록 작동할 것이기 때문에, 급수 밸브 본체(260)는 급수가 급수 작동 챔버(232)를 빠져나가게 하도록 작동할 것이다.
제 2 방향으로의 왕복 운동 조립체(300)의 이동 동안, 농축물 작동 챔버(230)의 체적이 감소하며, 제어 유닛(100)은 농축물 밸브 본체(400)로 하여금 상술한 바와 같은 토출 모드로 작동하게 할 것이다. 또한, 농축물 작동 챔버(232)의 체적은 증가하며, 전기적 제어 유닛(100)은 농축물 밸브 본체(401)로 하여금 상술한 바와 같은 유입 모드로 작동하게 할 것이다.
고압 급수(P2)의 일정한 유동이 역삼투막 유닛(216)으로 이송되는 것은 왕복 운동 조립체(300, 300', 300")의 운동의 조화를 통한 것이다. 또한, 고압 농축물의 에너지가 왕복 운동 조립체(300)의 운동을 보조함으로써 유압 펌프(12)에 요구되는 일을 줄일 수 있는 것은 농축물 작동 챔버(230, 232)로의 고압 농축물(P3)의 조화된 이송을 통한 것이다. 예컨대, 농축물 작동 챔버(230)로의 고압 농축물의 유동은 왕복 운동 조립체(300)의 운동을 보조하는 에너지를 제공할 듀얼 액션 피스톤(224)의 후방면(238)에 대해 작용함으로써 제 1 방향으로의 왕복 운동 조립체(300)의 운동을 보조한다. 유사하게, 제 2 방향으로의 왕복 운동 조립체(300)의 이동 동안 농축물 작동 챔버(232)에 고압 농축물이 유입되는 것은 듀얼 액션 피스톤(226)의 농축물면(240)에 작용하는 고압 농축물에 의해 도움을 받는다.
조립체 시퀀스(132)와 밸브 시퀀스(134)의 조화는 양 농축물 밸브 본체(400, 401)의 입구 피스톤(416) 및 출구 피스톤(516) 모두가 동시 피스톤 폐쇄(simultaneous piston closure)라고 불리는 체류 기간 동안 동시에 폐쇄되도록 나타날 수 있다.
제어 유닛(100)은 조립체 시퀀스(132)와 밸브 시퀀스(134)의 조화에 의해, 왕복 운동 조립체(300)가 운동을 정지하는, 즉 0의 속도를 갖고 체류 기간(도 7의 라인(700)에 대하여 T4 및 T8을 참조)에 진입할 때로부터 예컨대 50ms 또는 X/3ms를 효과적으로 계산한다. 체류 기간이 Xms의 길이로 설정되면, 전기적 제어기는 체류 기간의 개시로부터 X/3ms 또는 체류 기간의 개시로부터 (X/3-작동 시간)를 계산할 것이다. 첫번째 X/3ms의 종료시에 전기적 제어 유닛은 두번째 X/3ms의 기간 동안의 동시 피스톤 폐쇄를 야기하는 전기 신호를 송신할 것이다. 두번째 X/3ms에 이어서, 제어 유닛(100)은 밸브 피스톤들을 동시 피스톤 폐쇄로부터 유입 모드 또는 유출 모드로 이행시키는 전기 신호를 송신한다. 세번째의 최종 X/3ms 기간의 종료시에, 제어 유닛(100)은, 왕복 운동 조립체(300)가 0의 속도로부터 경우에 따라서 제 1 방향 또는 제 2 방향으로 가속되도록 유압 펌프(12)의 유압 출력을 증가시키는 전기 신호를 송신할 것이다.
이러한 특징에 있어서, 체류 기간은 예컨대 200ms 내지 500ms 동안 지속될 수도 있다. 이러한 체류 기간 동안, 입구 피스톤(416) 및 출구 피스톤(516)은 체류 기간의 대략 중간인 66ms 내지 166ms 동안 동시에 폐쇄된다. 이러한 50ms 내지 100ms의 동시 피스톤 폐쇄는 유해한 압력 축적을 감소시킬 수 있고, 제어 유닛(100)으로 하여금 왕복 운동 조립체(300)의 실제 위치를 조립체 프로파일에 보다 가깝게 매치시킬 수 있게 한다. 체류 기간 중간의 동시 피스톤 폐쇄에 의해, 농축물 밸브 본체(400, 401)가 제어 유닛(100)으로부터의 신호에 응답하는데 걸리는 실제 시간이 허용된다. 예컨대, 밸브가 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 또는 그 역으로 실제 작동하는데는 25ms 내지 50ms가 걸릴 수 있는데, 이를 "작동 시간(time to actuate)"라고 한다. 또한, 입구 피스톤(416) 및 출구 피스톤(516) 양자의 동시 피스톤 폐쇄에 의해, 임의의 고압 농축물이 잘못 인도되는 것을 방지한다. 예컨대, 농축물 밸브 본체(400)가 유입 단계에 진입하려고 하고, 출구 피스톤(516)이 입구 피스톤(416)의 개방시에 개방되면, 고압 농축물의 일부가 중앙 챔버(414)를 가로질러 바로 출구 단부(406)으로 잘못 인도될 수 있다. 이러한 고압 농축물의 잘목된 인도는 시스템의 에너지 회수율에 손상을 끼칠 수 있다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 체류 시간의 길이는 대략 66ms 내지 100ms의 동시 피스톤 폐쇄 기간을 포함하여 200ms 내지 300ms의 범위 내일 수 있다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 동시 피스톤 폐쇄 기간은 체류 기간의 개시 전 수ms, 예컨대 왕복 운동 조립체(300)가 0의 속도를 갖기 전 100ms 내지 500ms에 발생한다. 이러한 특징의 목적은 시스템 내에 비교적 적은 양의 압력을 축적시켜서, 강도(stiffness) 또는 강성(rigidity)의 성질보다는 내부식성 및 저마찰의 성질 때문에 활용되는 다양한 폴리머 재료의 사용으로 인해 발생할 수도 있는 팽창 효과를 보상하는 것이다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 하나 이상의 압력 센서(도시 생략)를 포함하는 페일 세이프 시스템(fail safe system)이 본 시스템 내에 포함되어 시스템 내의 압력 변화를 탐지하게 할 수도 있다. 예컨대, 페일 세이프 시스템은 농축물 밸브 본체(400, 401)의 중앙 챔버(414) 내에 위치된 압력 시스템을 포함할 수도 있으며, 이들 센서를 통해, 페일 세이프 시스템이 중앙 챔버(414)로부터의 압력 정보를 제어 유닛(100)에 제공할 것이다. 압력 정보는 타이밍 프로토콜(130)에 통합될 수 있다. 그러한 선택적 특징의 일 예에서, 전자 제어기(100)는, 페일 세이프 시스템이 타이밍 프로토콜(130)에 대하여 이상 압력이 탐지되는 것을 제어 유닛(100)에 경고하지 않는 한, 조립체 시퀀스(132)와 밸브 시퀀스(134)의 조합을 따를 것이다. 그러한 예에서, 제어 유닛(100)은 또한 조립체 시퀀스(132)를 중단시켜서, 왕복 운동 조립체(300)가 체류 기간을 빠져나가지 않게 하여 탐지된 압력 이상에 더 이상 기여하지 않게 할 수 있다. 선택적으로, 전자 제어 시스템(100)은 밸브 시퀀스(132)를 변경하여, 동시 피스톤 폐쇄를 더 길어지게 또는 더 짧아지게 하거나, 없앨 수 있다. 제어 유닛(100)은 정기적으로, 예컨대 매 1ms마다 페일 세이프 시스템에 문의하여, 이상 압력 신호가 유지되는지 또는 진정되었는지 여부를 결정할 수 있으며, 그 후에 적절하게 대응한다.
추가의 선택적 특징에 있어서, 제어 유닛(100)은 농축물 밸브 본체(400, 401)를 구동시키기 전에 페일 세이프 시스템에 정기적으로 문의할 수도 있다. 예컨대, 제어 유닛(100)은, 왕복 운동 조립체(300)가 움직이지 않고 있는 상태, 즉 체류 기간에 있는 상태를 외측 피드백 루프(120)에 의해 보장할 수 있다. 그러나, 제어 유닛(100)은 또한 동시 피스톤 폐쇄의 단계에 진입에 진입하려고 하는 농축물 밸브 본체(400, 401)의 중앙 챔버(414) 내에서 최소 압력이 실제로 탐지되는 것을 확인해야만 한다.
상기의 기술에서는, 설명을 위해, 실시예에 대한 완전한 이해를 제공하기 위해 세부적인 숫자를 기술하였다. 그러나, 당업자들은 이러한 구체적인 세부사항들이 필수적인 것은 아니라는 사실을 이해할 것이다. 다른 예에서는, 이해에 방해가 되지 않기 위해 공지의 전기 구조물 및 회로가 블록 다이어그램 형태로 도시된다. 예컨대, 본 명세서에 기술된 실시예들이 소프트웨어 루틴(software routine), 하드웨어 회로, 펌웨어, 또는 이들의 조합으로서 실시되는지의 여부에 관한 구체적인 세부사항은 제공되지 않는다.
개시된 실시예들은 기계 판독 가능한 매체(컴퓨터 판독 가능한 매체, 프로세서 판독 가능한 매체, 또는 컴퓨터 판독 가능한 프로그램 코드가 포함되어 있는 컴퓨터 사용 가능한 매체라고도 함) 내에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다. 기계 판독 가능한 매체는 디스켓, CD-롬(compact disk read only memory; CD-ROM), 기억 장치(휘발성 또는 비휘발성), 또는 유사 저장 장치를 포함하는 자기적, 광학적 또는 전기적 저장 매체를 포함하는 임의의 적절한 지속적 유형적 표현 매체일 수 있다. 기계 판독 가능한 매체는 다양한 세트의 명령, 코드 시퀀스, 형상 정보, 또는 다른 데이터를 포함할 수 있으며, 이들이 실행되면, 프로세서가 본 발명의 실시예에 따른 방법에서의 단계들을 실행하게 된다. 당업자는 기술된 구현예를 실시하는데 필요한 다른 명령 및 연산들이 기계 판독 가능한 매체에 저장될 수 있음을 이해할 것이다. 기계 판독 가능한 매체에 저장된 명령들은 프로세서 또는 다른 적절한 처리 장치에 의해 실행될 수 있으며, 상술한 과제를 실행하는 전기 회로와 상호 작용할 수 있다.
이와 같이 기술된 설명은 최선 모드를 포함하여 본 발명을 설명하기 위해 예를 사용함으로써, 당업자가 임의의 장치 또는 시스템의 제조 또는 사용 및 임의의 통합된 방법의 실시를 포함하여 다양한 방법으로 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허가능한 범위는 특허청구범위에 의해 규정되며, 당업자가 도출할 수 있는 다른 예도 포함할 수 있다.

Claims (18)

  1. 장치에 있어서,
    a) 급수 입구 및 염수 출구를 갖는 역삼투막 유닛,
    b) 피스톤에 연결된 피스톤 로드를 포함하는 물 펌프로서, 상기 피스톤은 전방면 및 후방면을 갖고, 상기 물 펌프는 상기 피스톤의 전방면에 대해 급수를 가압해서, 급수가 상기 역삼투막 유닛의 급수 입구로 흘러가게 하도록 구성되는, 상기 물 펌프,
    c) 상기 역삼투막 유닛의 염수 출구를 상기 피스톤의 후방면에 연결하는 도관,
    d) 상기 도관 내의 밸브,
    e) 상기 피스톤 로드에 연결된 유압 피스톤을 구비한 유압 실린더 및 상기 유압 피스톤의 양면에 인접한 챔버들에 유체를 공급하도록 연결된 한쌍의 유압 라인을 포함하는 유압 펌프로서, 상기 유압 펌프는 상기 유압 라인에 선택적으로 압력을 가하도록 구성되는, 상기 유압 펌프,
    f) 상기 유압 펌프에 연결된 제어기,
    g) 상기 유압 펌프에 작동 가능하게 결합되며, 상기 유압 펌프의 위치를 탐지하도록 구성된 제 1 센서로서, 상기 제 1 센서는 상기 제어기에 연결되며, 상기 유압 펌프의 출력을 나타내는 제 1 신호를 내측 제어 루프를 거쳐서 상기 제어기에 송신하도록 구성되는, 상기 제 1 센서, 및
    h) 상기 피스톤 로드에 작동 가능하게 결합되며, 상기 피스톤 로드의 위치를 탐지하도록 구성된 제 2 센서로서, 상기 제 2 센서는 상기 제어기에 연결되며, 상기 피스톤 로드의 위치를 나타내는 제 2 신호를 외측 제어 루프를 거쳐서 상기 제어기에 송신하도록 구성되는, 상기 제 2 센서를 포함하고,
    상기 제어기는,
    시간에 따른 피스톤의 희망 속도 프로파일을 갖도록 프로그래밍되어 있고,
    상기 프로파일에 따라 피스톤을 움직이도록 상기 유압 펌프에 명령을 내리고; 상기 유압 펌프의 출력을 나타내는 상기 제 1 신호 및 상기 피스톤 로드의 위치를 나타내는 상기 제 2 신호를 처리하고; 희망 프로파일을 기초로 피스톤의 희망 위치값 및 희망 속도값을 결정하고; 상기 희망 위치값에서 피스톤의 실제 위치값을 빼서 제 1 차이값(difference)을 결정하며, 상기 제 1 차이값에 제 1 이득 계수를 곱해서 제 1 승산값을 만들고; 상기 희망 속도값에서 피스톤의 실제 속도값을 빼서 제 2 차이값을 결정하며, 상기 제 2 차이값에 제 2 이득 계수를 곱해서 제 2 승산값을 만들고; 상기 제 1 승산값과 상기 제 2 승산값을 더해서 합계값을 만들고; 상기 합계값을 기초로 유량 제어 명령을 생성하고; 상기 유량 제어 명령을 상기 내측 제어 루프를 거쳐서 상기 유압 펌프에 송신함으로써 상기 유압 펌프에 대한 명령을 변경하여, 상기 피스톤이 상기 프로파일을 보다 가깝게 추종하게 하도록 프로그래밍되어 있는
    장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 밸브에 연결되고, 상기 프로파일은, 상기 피스톤이 움직이지 않도록 의도된 체류 기간을 포함하고, 상기 제어기는 상기 체류 기간 동안 상기 밸브를 이동시키도록 프로그래밍되어 있는
    장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어기는 체류 기간의 개시 후까지 상기 밸브의 이동의 개시를 지연시키도록 프로그래밍되어 있는
    장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는 밸브 본체 내의 하류측 시트(seat)에 접하여 폐쇄되는 밸브 피스톤을 갖고, 상기 밸브 피스톤의 면은, 상기 밸브가 폐쇄될 때 상기 시트와 접촉하는 중앙 영역을 가지며, 상기 밸브 피스톤의 면은 외측 링을 추가로 갖고, 상기외측 링은 상기 중앙 영역에 대해서 후퇴되어 있는
    장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 밸브 피스톤은 폐쇄 위치 쪽으로 가압되어(biased) 있는
    장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 및 상기 물 펌프는 내부식성 재료 및 저마찰 재료를 사용하여 제조되는
    장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 스와시 플레이트(swash plate)를 포함하고, 상기 제 1 신호는 상기 스와시 플레이트의 각도를 나타내는
    장치.
  8. 프로세스에 있어서,
    a) 피스톤 로드에 연결된 피스톤을 포함하는 물 펌프를 제공하는 단계,
    b) 상기 피스톤 로드에 연결된 유압 펌프를 제공하는 단계로서, 상기 유압 펌프로부터의 유체 유동 출력에 의해 상기 피스톤이 움직이게 되고, 상기 유압 펌프는 상기 유체 유동 출력을 생성하도록 구성되는, 유압 펌프 제공 단계,
    c) 상기 물 펌프를 역삼투막 유닛에 연결하여, 상기 피스톤의 운동에 의해 급수가 상기 역삼투막 유닛으로 유동하게 하는 단계,
    d) 상기 피스톤을 사전결정된 시간에 따른 속도 프로파일에 따라 이동시킬 것으로 예상되는 유체 유동 출력을 생성하도록 상기 유압 펌프에 명령하는 단계,
    e) 상기 유압 펌프의 위치를 탐지하여 상기 유압 펌프의 실제 유체 유동 출력에 관한 제 1 신호를 생성하고, 상기 제 1 신호를 내측 제어 루프를 거쳐서 제어기에 송신하는 단계,
    f) 상기 피스톤 로드의 위치를 탐지하여 상기 피스톤 로드의 위치에 관한 제 2 신호를 생성하고, 상기 제 2 신호를 외측 제어 루프를 거쳐서 상기 제어기에 송신하는 단계,
    g) 희망 프로파일을 기초로 피스톤의 희망 위치값 및 희망 속도값을 결정하고; 상기 희망 위치값에서 피스톤의 실제 위치값을 빼서 제 1 차이값을 결정하며, 상기 제 1 차이값에 제 1 이득 계수를 곱해서 제 1 승산값을 만들고; 상기 희망 속도값에서 피스톤의 실제 속도값을 빼서 제 2 차이값을 결정하며, 상기 제 2 차이값에 제 2 이득 계수를 곱해서 제 2 승산값을 만들고; 상기 제 1 승산값과 상기 제 2 승산값을 더해서 합계값을 만들고; 상기 합계값을 기초로 유량 제어 명령을 생성하는 단계, 및
    h) 상기 유량 제어 명령을 상기 제어기로부터 상기 내측 제어 루프를 거쳐서 상기 유압 펌프에 송신함으로써 상기 유압 펌프에 대한 명령을 변경하여, 상기 피스톤이 상기 프로파일을 보다 가깝게 추종하게 하는 단계를 포함하는
    프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 피스톤을 이동하게 해서 급수를 유동시키는 것을 보조하도록, 상기 역삼투막 유닛에서 생성된 염수의 압력을 이용하는 단계를 더 포함하는
    프로세스.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 피스톤에 염수를 선택적으로 연결하도록 구성된 밸브를 제공하는 단계, 및
    상기 프로파일이 상기 피스톤이 전방 방향으로 이동해야만 하는 것을 나타낼 때는 개방되도록, 그리고 상기 프로파일이 상기 피스톤이 역방향으로 이동해야만 하는 것을 나타낼 때는 폐쇄되도록 상기 밸브에 명령하는 단계를 더 포함하는
    프로세스.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로파일은, 상기 피스톤이 이동하지 않도록 의도된 체류 기간을 포함하고, 상기 밸브는 상기 체류 기간 동안 개방 또는 폐쇄되도록 명령을 받는
    프로세스.
  12. 제 11 항에 있어서,
    체류 기간 동안 밸브를 개방 또는 폐쇄시키는 명령이 체류 기간의 개시에 비해 지연되는
    프로세스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 속도 프로파일은 체류 기간 동안 상기 피스톤이 이동할 때 상기 피스톤의 속도를 감소시키도록 구성되고, 상기 밸브는 밸브를 통한 물의 유량이 감소될 때 폐쇄 위치 쪽으로 이동하도록 구성되는
    프로세스.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 유압 펌프는 스와시 플레이트를 포함하고, 상기 유압 펌프의 실제 유체 유동 출력에 관한 상기 제 1 신호는 상기 스와시 플레이트의 각도를 나타내는 신호인
    프로세스.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 로드는 상기 유압 피스톤의 일 면에 연결된 제 1 로드 및 상기 유압 피스톤의 반대면에 연결된 제 2 로드를 포함하는
    장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 피스톤 로드는 커넥팅 로드에 의해 상기 피스톤에 연결되어 있는
    장치.
  17. 삭제
  18. 삭제
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9476415B2 (en) * 2012-12-04 2016-10-25 General Electric Company System and method for controlling motion profile of pistons
GB2508904A (en) * 2012-12-14 2014-06-18 Ide Technologies Ltd Reverse osmosis system control
US9874216B2 (en) 2013-12-20 2018-01-23 General Electric Company Thrust bearings for centrifugal pumps
CN106460772B (zh) * 2014-04-23 2019-07-09 通用电气再生能源技术公司 运行水力涡轮的水力设备
WO2015167799A1 (en) 2014-04-28 2015-11-05 General Electric Company Energy recovery pump with pressure balancing hole and pressure transitioning step
WO2016053356A1 (en) * 2014-10-03 2016-04-07 General Electric Company Energy recovery valves for integrated pumping energy recovery systems
EP3020969B1 (en) * 2014-11-11 2017-09-27 Danfoss A/S Pump arrangement
WO2016089377A1 (en) 2014-12-02 2016-06-09 General Electric Company Pilot-operated check valve for high-pressure concentrated seawater usable in sea-water reverse osmosis pumping and energy recovery systems
US9657675B1 (en) * 2016-03-31 2017-05-23 Etagen Inc. Control of piston trajectory in a free-piston combustion engine
US10760557B1 (en) * 2016-05-06 2020-09-01 Pumptec, Inc. High efficiency, high pressure pump suitable for remote installations and solar power sources
US10265658B2 (en) * 2016-09-12 2019-04-23 Eten Technology Ltd. Energy-saving water purifying system
CN109414971B (zh) * 2016-09-27 2022-02-25 日立安斯泰莫株式会社 空气悬架系统
MA47201A (fr) * 2017-01-09 2019-11-13 Veolia Water Solutions & Tech Système et procédé pour le traitement de l'eau par osmose inverse ou nanofiltration
CN110468423B (zh) * 2019-08-07 2021-10-22 江苏斯德雷特通光光纤有限公司 一种酸洗设备的hf残液回收装置及使用方法

Family Cites Families (91)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2528131A (en) 1947-11-28 1950-10-31 Phillips Petroleum Co Hydraulic pumping unit
US2775982A (en) 1954-05-04 1957-01-01 Automatic Switch Co Differential-piston valve and dual pilot-valve control therefor
US2915042A (en) 1955-02-01 1959-12-01 Shafer Valve Co Modulating pilot control responsive to pressure variations
US3022738A (en) 1959-04-20 1962-02-27 Krute Everett Archie Pump systems
US3135293A (en) 1962-08-28 1964-06-02 Robert L Erwin Rotary control valve
US3374746A (en) 1966-07-11 1968-03-26 United States Steel Corp Hydraulically operated subsurface motor and pump combination
US3685536A (en) 1970-03-20 1972-08-22 Rockwell Mfg Co Valve assemblies
US3762435A (en) 1972-04-12 1973-10-02 J Auwerter Pressure reducing valve
US3794292A (en) 1972-05-15 1974-02-26 Westinghouse Electric Corp Spool valve
US3977434A (en) 1973-06-07 1976-08-31 Albright Charles J Apparatus for cooking food in hot non-aqueous liquids under pressure
US3825122A (en) 1973-06-11 1974-07-23 J Taylor Reverse-osmosis pump
JPS55327Y2 (ko) 1974-12-18 1980-01-08
CH586364A5 (en) 1975-04-30 1977-03-31 Bbc Brown Boveri & Cie Single seat throttle valve - is controlled by two servos one acting directly, other through secondary servo valve
US4145884A (en) 1977-07-25 1979-03-27 Childs Willard D Reversible power transmission
US4434056A (en) 1979-04-06 1984-02-28 Keefer Bowie Multi-cylinder reverse osmosis apparatus and method
US4285365A (en) 1979-08-23 1981-08-25 Barry-Wehmiller Company Rotary valve for pressure fluid distribution
US4450863A (en) 1981-05-13 1984-05-29 Eaton Corporation Series connected solenoid appliance control valve assembly
DE3367661D1 (en) 1982-02-04 1987-01-02 Toray Industries Rotary valve
CH655984A5 (de) 1982-04-07 1986-05-30 Sulzer Ag Magnetventil mit leistungsverstaerker.
US4644969A (en) 1984-08-20 1987-02-24 Oki Electric Industry Co., Ltd. Water control valve with pneumatic actuator
US4574840A (en) 1984-12-28 1986-03-11 Uop Inc. Multiport axial valve with balanced rotor
US4724866A (en) 1986-07-31 1988-02-16 Nl Industries, Inc. Speed control valve
US4838145A (en) 1987-06-18 1989-06-13 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Multiple actuator hydraulic system and rotary control valve therefor
US5154820A (en) 1987-10-21 1992-10-13 Product Research And Development Reverse osmosis system with cycled pressure intensifiers
JPH07102305B2 (ja) 1988-06-29 1995-11-08 株式会社ササクラ 逆浸透膜濃縮装置
EP0628753B1 (en) 1991-04-23 1997-07-16 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Rotary valve for automatic transmission
GB9113304D0 (en) 1991-06-20 1991-08-07 Alcan Int Ltd Metal spraying apparatus
US5222873A (en) 1992-06-19 1993-06-29 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fluid-driven reciprocating apparatus and valving for controlling same
US5634779A (en) 1993-05-05 1997-06-03 Fdp Engineering Sa Hydraulic fluid-driven, multicylinder, modular reciprocating piston pump
US5645263A (en) 1993-10-04 1997-07-08 Caterpillar Inc. Pilot valve for a flow amplyifying poppet valve
EP0873475B1 (de) 1996-01-10 2003-10-15 Eaton Fluid Power GmbH Verlustarmer antrieb für mehrere hydraulische aktuatoren
US5628198A (en) 1996-05-13 1997-05-13 Permar; Clark Liquid treatment apparatus for filtering liquid under pressure
US5967108A (en) 1996-09-11 1999-10-19 Kutlucinar; Iskender Rotary valve system
WO1998015762A1 (fr) 1996-10-08 1998-04-16 Kabushiki Kaisha Yokota Seisakusho Appareil a soupapes de regulation automatique
US6017200A (en) 1997-08-12 2000-01-25 Science Applications International Corporation Integrated pumping and/or energy recovery system
US6274929B1 (en) 1998-09-01 2001-08-14 Texas Instruments Incorporated Stacked double sided integrated circuit package
US6135724A (en) 1998-07-08 2000-10-24 Oilquip, Inc. Method and apparatus for metering multiple injection pump flow
FR2783021B1 (fr) 1998-09-09 2000-10-13 Inst Francais Du Petrole Procede et systeme de pompage de fluide utilisant une pompe avec un debit constant a l'aspiration ou au refoulement
FR2795141B1 (fr) 1999-06-15 2001-09-07 Bernard Marinzet Pompe a pistons, procede et installation de filtration d'eau
DE19933147C2 (de) 1999-07-20 2002-04-18 Aloys Wobben Verfahren und Vorrichtung zum Entsalzen von Wasser
US6267571B1 (en) 1999-08-17 2001-07-31 Schwing America, Inc. Hydraulic displacement pump having two stroke length
US6470683B1 (en) 1999-08-30 2002-10-29 Science Applications International Corporation Controlled direct drive engine system
GB2356432A (en) 1999-11-18 2001-05-23 Colin Pearson Fluid powered pump with valve control
IT1316324B1 (it) 2000-02-02 2003-04-10 Schenker Italia S R L Apparecchiatura per la desalinizzazione dell'acqua per osmosi inversacon recupero di energia
US6929238B2 (en) 2000-02-18 2005-08-16 Ga Industries Inc. Electric motor actuated stop and self-closing check valve
US6266598B1 (en) 2000-05-04 2001-07-24 Oshkosh Truck Corporation Control system and method for a snow removal vehicle
DE10059425A1 (de) 2000-11-30 2002-06-06 Bosch Gmbh Robert Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren
CN1488036A (zh) 2001-01-19 2004-04-07 高压水泵
JP2002286162A (ja) 2001-03-23 2002-10-03 Megatorr Corp 広帯域可変コンダクタンスバルブ
US6708489B2 (en) 2001-08-03 2004-03-23 Parker & Harper Companies, Inc. Pneumatic actuator
US6814907B1 (en) 2001-12-18 2004-11-09 Stratasys, Inc. Liquifier pump control in an extrusion apparatus
US6712587B2 (en) 2001-12-21 2004-03-30 Waters Investments Limited Hydraulic amplifier pump for use in ultrahigh pressure liquid chromatography
US6773226B2 (en) 2002-09-17 2004-08-10 Osamah Mohamed Al-Hawaj Rotary work exchanger and method
DE10310662A1 (de) 2003-03-12 2004-09-23 Ksb Aktiengesellschaft Armatur
US7000379B2 (en) 2003-06-04 2006-02-21 Ford Global Technologies, Llc Fuel/air ratio feedback control with catalyst gain estimation for an internal combustion engine
ES2287732T3 (es) 2003-06-12 2007-12-16 I.D.E. Technologies Ltd. Valvula de resorte de tres vias para itercambiador de trabajo.
US7032388B2 (en) 2003-11-17 2006-04-25 General Electric Company Method and system for incorporating an emission sensor into a gas turbine controller
US20050123416A1 (en) 2003-12-06 2005-06-09 Smith Clyde M. Combined piston fluid motor and pump
ATE374071T1 (de) 2003-12-17 2007-10-15 Ksb Ag Drucktauschersystem
JP2005195081A (ja) 2004-01-06 2005-07-21 Daikin Ind Ltd 油圧ユニット
JP2008507673A (ja) 2004-07-23 2008-03-13 エイエフエイ・コントロールズ，リミテッド・ライアビリティ・カンパニー マイクロバルブアセンブリの動作方法および関連構造および関連デバイス
CN2716251Y (zh) 2004-08-12 2005-08-10 云南玮昊能源发展有限公司 一种带液压式节能机构的反渗透膜过滤器
US20060071189A1 (en) 2004-10-04 2006-04-06 R. Conrader Company Pressure relief valve
DE102004048689B3 (de) 2004-10-06 2005-10-20 Siemens Ag Zweistufiges Servoventil
CN100387327C (zh) 2005-06-17 2008-05-14 国家海洋局杭州水处理技术研究开发中心 一种节能型反渗透处理方法
US20070045069A1 (en) 2005-08-26 2007-03-01 Husco International, Inc. Active vehicle suspension with integrated load leveling
US7927082B2 (en) 2005-12-05 2011-04-19 Gth Water Systems, Inc. Highly efficient durable fluid pump and method
US8210205B2 (en) 2006-03-09 2012-07-03 Michaels Gregory A Rotary valve assembly
CN2926197Y (zh) 2006-03-23 2007-07-25 天津市蓬拓科技有限公司 带能量回收的反渗透海水淡化装置
US8128821B2 (en) 2006-06-14 2012-03-06 Fluid Equipment Development Company, Llc Reverse osmosis system with control based on flow rates in the permeate and brine streams
KR20090040444A (ko) 2006-07-19 2009-04-24 플루이드-오-테크 에스.알.엘 유체 동력 할당 펌프 및 펌프를 포함하여 유체를 분배하기 위한 시스템
US8361130B2 (en) 2006-10-06 2013-01-29 Depuy Spine, Inc. Bone screw fixation
US7415937B2 (en) 2006-10-27 2008-08-26 Honeywell International Inc. Self-contained sea water linear actuator
US7905088B2 (en) 2006-11-14 2011-03-15 Incova Technologies, Inc. Energy recovery and reuse techniques for a hydraulic system
WO2008141361A1 (en) 2007-05-21 2008-11-27 Philip David Giles A pump for a desalination system
US7634911B2 (en) 2007-06-29 2009-12-22 Caterpillar Inc. Energy recovery system
WO2009005425A1 (en) 2007-07-02 2009-01-08 Parker Hannifin Ab Fluid valve arrangement
DE102007033498A1 (de) 2007-07-18 2009-01-22 Robert Bosch Gmbh Sitzventilanordnung
DE102008011982A1 (de) 2008-02-29 2009-09-03 Honeywell Technologies Sarl Ventilanordnung mit Steuerventilen und einem von diesen stufenlos gesteuerten Hauptventil
KR101032387B1 (ko) 2008-06-11 2011-05-31 한국기계연구원 에너지 회수 장치
US8287529B2 (en) 2008-09-05 2012-10-16 Tyco Healthcare Group Lp Electrosurgical apparatus with high speed energy recovery
JP2010063976A (ja) 2008-09-09 2010-03-25 Ebara Corp 膜分離装置、膜分離装置の運転方法
WO2010030723A1 (en) 2008-09-12 2010-03-18 Waters Technologies Corporation Intake profile for optimized utilization of motor characteristics
US8186154B2 (en) 2008-10-31 2012-05-29 Caterpillar Inc. Rotary flow control valve with energy recovery
US8090456B2 (en) 2008-11-03 2012-01-03 United Technologies Corporation System and method for design and control of engineering systems utilizing component-level dynamic mathematical model
US8511080B2 (en) 2008-12-23 2013-08-20 Caterpillar Inc. Hydraulic control system having flow force compensation
WO2010138029A1 (en) 2009-05-29 2010-12-02 Volvo Construction Equipment Ab A hydraulic system and a working machine comprising such a hydraulic system
US20100301252A1 (en) 2009-06-02 2010-12-02 Arne Fridtjof Myran Universal Valve System
US8691086B2 (en) 2010-02-17 2014-04-08 Fluid Equipment Development Company, Llc Control scheme for a reverse osmosis system using a hydraulic energy management integration system
WO2012085326A1 (en) 2010-12-23 2012-06-28 Aw-Energy Oy Method and apparatus for desalination of seawater
US9638179B2 (en) 2012-12-04 2017-05-02 General Electric Company Hydraulic control system for a reverse osmosis hydraulic pump

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