WO2018180890A1

WO2018180890A1 - 海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置

Info

Publication number: WO2018180890A1
Application number: PCT/JP2018/011410
Authority: WO
Inventors: 後藤　彰; 信田　昌男; 隆竹村
Original assignee: 株式会社荏原製作所
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2018-10-04

Abstract

本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび海水淡水化システムに好適に用いられるエネルギー回収装置に関するものである。エネルギー回収装置は、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバー（ＣＨ）と、チャンバー（ＣＨ）内において濃縮海水ポート（Ｐ１）側に配置される第１多孔板（２４），第２多孔板（２５）と、チャンバー（ＣＨ）内において海水ポート（Ｐ２）側に配置される第１多孔板（２４），第２多孔板（２５）とを備え、第１多孔板（２４）は、多孔円板であって、該多孔円板と同心の所定の直径の仮想円の外側の外周領域に孔が形成されてなり、第２多孔板（２５）は、全面に孔が形成された多孔円板であって、該多孔円板は中央部が第１多孔板側に向かって凸形状の回転体形状をなしている。

Description

海水淡水化システムおよびエネルギー回収装置

　本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび海水淡水化システム（海水淡水化プラント）に好適に用いられるエネルギー回収装置に関するものである。

　従来、海水を淡水化するシステムとして、海水を逆浸透膜分離装置に通水して脱塩する海水淡水化システムが知られている。この海水淡水化システムにおいては、取水された海水は、前処理装置により一定水質の条件に整えられたのち、高圧ポンプにより加圧され、逆浸透膜分離装置へと圧送され、逆浸透膜分離装置内の高圧海水の一部は、浸透圧に打ち勝って逆浸透膜を通過し、塩分が除去された淡水として取り出される。その他の海水は、塩濃度が高くなり濃縮された状態で逆浸透膜分離装置から濃縮海水（ブライン）として排出される。ここで、海水淡水化システムにおける最大の運転コストは電力費であり、前処理後の海水を浸透圧に打ち勝てる圧力即ち逆浸透圧まで上昇させるためのエネルギー、つまり高圧ポンプによる加圧エネルギーが大きな割合を占めている。

　すなわち、海水淡水化プラントにおける電力費の半分以上は、高圧ポンプによる加圧に費やされることが多い。従って、逆浸透膜分離装置から排出される高塩濃度で高圧の濃縮海水が保有する圧力エネルギーを、海水の一部を昇圧するのに利用することが行われている。そして、逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを海水の一部を昇圧するのに利用する手段として、円筒の筒内に移動可能に嵌装されたピストンによって円筒の内部を２つの空間に分離し、２つの空間の一方に濃縮海水の出入りを行う濃縮海水ポートを設け、もう一方に海水の出入りを行う海水ポートを設けたエネルギー回収チャンバーを利用することが行われている。

　図１は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図１に示すように、取水ポンプ（図示しない）により取水された海水は、前処理装置により前処理されて所定の水質条件に整えられたのち、海水供給ライン１を介してモータＭが直結された高圧ポンプ２へ供給される。高圧ポンプ２で昇圧された海水は吐出ライン３を介して逆浸透膜（ＲＯ膜）を備えた逆浸透膜分離装置４に供給される。逆浸透膜分離装置４は、海水を塩濃度の高い濃縮海水と塩濃度の低い淡水に分離し、海水から淡水を得る。この時、塩濃度の高い濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出されるが、この濃縮海水は依然高い圧力を有している。逆浸透膜分離装置４から濃縮海水を排出する濃縮海水ライン５は、制御弁６を介してエネルギー回収チャンバー２０の濃縮海水ポートＰ１へ接続している。前処理された低圧の海水を供給する海水供給ライン１は、高圧ポンプ２の上流で分岐してバルブ７を介してエネルギー回収チャンバー２０の海水ポートＰ２へ接続している。エネルギー回収チャンバー２０は、濃縮海水と海水の境界領域（界面）によって二流体を分離しながらエネルギー伝達を行うものである。なお、エネルギー回収チャンバーに供給される海水は、精緻なフィルターを用いた前処理装置で前処理されるため、異物などの混入が無い、清浄な海水である。

　エネルギー回収チャンバー２０において濃縮海水の圧力を利用して昇圧された海水は、バルブ７を介してブースターポンプ８に供給される。そして、ブースターポンプ８によって海水は高圧ポンプ２の吐出ライン３と同じレベルの圧力になるようにさらに昇圧され、昇圧された海水はバルブ９を介して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。一方、海水を昇圧してエネルギーを失った濃縮海水は、エネルギー回収チャンバー２０から制御弁６を介して濃縮海水排出ライン１７に排出される。
　高圧ポンプ２の吐出ライン３の圧力が例えば６．５ＭＰａとすると、逆浸透膜分離装置４のＲＯ膜モジュールの圧力損失で僅かに圧力が低下し６．４ＭＰａの濃縮海水が逆浸透膜分離装置４から排出される。この濃縮海水の圧力を海水に作用すると海水が等圧（６．４ＭＰａ）に昇圧されるが、エネルギー回収装置を流れる際にエネルギー回収装置自体の圧力損失分が低下し、例えば６．３ＭＰａの海水がエネルギー回収装置から排出される。ブースターポンプ８は６．３ＭＰａの海水を６．５ＭＰａの圧力に僅かに昇圧して高圧ポンプ２の吐出ライン３に合流して逆浸透膜分離装置４に供給される。ブースターポンプ８はこのように僅かな圧力損失分を昇圧するだけでよく、ここで消費されるエネルギーは僅かである。

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

　図２は、図１に示す海水淡水化システムに適用されるエネルギー回収チャンバーであって、本件出願人が先に国際公開第２０１４／１６３０１８号公報（特許文献１）で提案したエネルギー回収チャンバーの概略断面図である。図２に示すように、エネルギー回収チャンバー２０は、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１と、チャンバー本体２１の両開口端を閉塞する端板２２を備えている。チャンバー本体２１内にはチャンバーＣＨが形成され、一方の端板２２の位置に濃縮海水ポートＰ１が形成され、他方の端板２２の位置に海水ポートＰ２が形成されている。

　エネルギー回収チャンバー２０は縦置きに設置されている。濃縮海水と海水の比重差の影響を考慮し、チャンバーＣＨを縦配置とし、比重の重い濃縮海水のポートＰ１を下側に、比重の軽い海水のポートＰ２を上に配置にしている。すなわち、長尺の円筒形状のチャンバー本体２１は、チャンバーの長手方向（軸方向）が垂直方向に配置されており、濃縮海水ポートＰ１はチャンバーＣＨの下側で濃縮海水を給排水するようにチャンバーの下側に設けられ、海水ポートＰ２はチャンバーＣＨの上側で海水を給排水するようにチャンバーの上側に設けられている。低圧で低塩分濃度の海水は、チャンバー内で高圧で高塩分濃度の濃縮海水と接触し、これら海水と濃縮海水の接触面に形成された界面が押し引きされることで圧力エネルギーが海水に伝達され、排出される濃縮海水が保有していた圧力エネルギーが回収される。
　海水と濃縮海水の押し引きとは、濃縮海水で海水を昇圧しながらチャンバーから押し出し（押し）、その後、バルブ６を切り換えてチャンバーを排水ライン１７に開放することで海水を引き込んで（引き）濃縮海水をチャンバーから排出する動作を指す。この時、界面の変形や乱れが多いと、濃縮海水と海水の接触面積が拡大し、かつ両者間の乱流混合が増大することで、チャンバーから押し出される海水の塩分濃度が上昇することになる。海水の塩分濃度が増大すると、ＲＯ膜モジュールから排出される淡水が減少し、かつＲＯ膜の劣化が加速されるなどの不都合が生じる。

　こうした不都合を生じないためには、チャンバー下端の濃縮海水ポートからチャンバー内に導入される濃縮海水、およびチャンバー上端の海水ポートからチャンバー内に導入される海水の両者を、均一な流速分布として両者間に安定した界面を形成することが重要である。このため、エネルギー回収チャンバーは、図２に示すように、チャンバーの上下部に複数の多孔板を配置した整流機能を具備している。海水と濃縮海水の間に形成される界面は、押し引き動作により、海水ポート側の第２多孔板２５と濃縮海水側の第２多孔板２５との間のチャンバー空間内を上下に移動するので、両第２多孔板間（長さＬa）の流速分布を均一化し、界面を安定させることが重要である。
　チャンバーＣＨの全長はＬであり、チャンバー内部には、海水ポートＰ２から距離Ｌ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置されており、同様に濃縮海水ポートＰ１からＬ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置され、さらにそれぞれの第１多孔板２４からＬ２だけ離間した位置に水平に第２多孔板２５が配置されている。なお、エネルギー回収チャンバー内の平均流速は、０．１５ｍ／ｓ～０．６ｍ／ｓであり、プラントや送排水システムの標準管内流速よりも著しく低いことから、ここでの技術課題は圧力損失の低減や、水流音の軽減ではなく、安定した界面の形成である。チャンバーＣＨを縦配置とし、比重の重い濃縮海水のポートＰ１を下側に、比重の軽い海水のポートＰ２を上に配置にしているのも、液体に特有な大きな比重差を界面の安定化に利用するためである。

　図３Ａ，図３Ｂは、図２に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された各多孔板を示す平面図であり、図３Ａは海水ポート側および濃縮海水ポート側の第１多孔板２４を示し、図３Ｂは海水ポート側および濃縮海水ポート側の第２多孔板２５を示している。
　図３Ａに示すように、第１多孔板２４は、チャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、中央部の仮想円（φｄｃ）の外側には、直径φｄｋ１の複数の小孔２４ｈが形成され、仮想円の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板で構成されている。すなわち、中央部を閉塞した多孔板である。
　図３Ｂに示すように、第２多孔板２５は、チャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、円板の全面に直径Ｐｄｋ２の小孔２５ｈが等間隔に形成されている。

　図３Ａ，図３Ｂに示す多孔板を備えたエネルギー回収チャンバーによれば、小径の各ポートＰ１，Ｐ２から流体がチャンバーＣＨに流入するので、チャンバーＣＨのポート付近の速度分布は中央部が大きく高速な流れになるが、この高速な流れは、第１多孔板２４の中央の閉塞部に衝突して外周に分散されるとともに流速を落とすように整流され、第１多孔板２４を通過した後の流れはより均一な速度分布になる。さらに、第１多孔板２４からＬ２だけ離間した位置に第２多孔板２５が配置されているため、第１多孔板２４により整流された流れを全面に小孔が形成された第２多孔板２５を通過させることで、第２多孔板２５の下流の流れがより均一な流れに整流される。

　本件出願人は、図２および図３Ａ，図３Ｂに示したエネルギー回収チャンバーのポートから流入する速度分布に着目した数値流体解析（ＣＦＤ）によるチャンバー内の流れの特性の分析を進めた結果、円板の中央に円形の閉塞部を有する多孔板は速度依存性があり、限られた範囲の流入速度では多孔板によりチャンバー内の流れの速度と向きが均一となるが、小径のポートから流入する流速が変化すると、それに応じて、多孔板からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間した評価断面における速度分布も変化し、均一性が低下するという課題があることを見出した。

　そこで、本件出願人は、国際公開第２０１６／０３５７０４号公報（特許文献２）において、中央部が閉塞し外周部に複数の小孔が等間隔に形成された第１多孔板と、円板の全面に複数の小孔が等間隔に形成された第２多孔板を前提とした構成において、第１多孔板の中央部の閉塞部の形状を星型多角形とした構成を提案した。
　図４は、中央部に星型多角形の閉塞部を有する第１多孔板を示す平面図である。図４に示すように、第１多孔板２４はチャンバーの内径と等しい外径（φＤ）の円板形状をなし、中央部の仮想円（直径：φｄｃ）を内接円とし、それより外周の仮想円（直径：φｄｒ）を外接円とする仮想多角形（特に凹多角形、星型六角形（六芒星、六角星）など）の外側に、直径φｄｋ１の複数の小孔２４ｈが形成され、仮想多角形の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板で構成されている。仮想円である内接円と仮想多角形の交点をＰｄｃで表し、仮想円である外接円と仮想多角形の交点をＰｄｒで表している。
　図４に示す第１多孔板によれば、多孔板の円周方向に閉塞部（開口率）の強弱をつけることによって、第１多孔板を通過した後の下流の流れの半径方向への流れを孔分布によって変化させて、第１多孔板と第２多孔板間の空間内での流体混合を促進することで断面内の流速分布が均一化するので、チャンバー全体で長手方向に均一になるように整流される。

国際公開第２０１４／１６３０１８号公報国際公開第２０１６／０３５７０４号公報

　本件出願人は、中央部に閉塞部を有し、その閉塞部より外周の全面に、隣り合う孔の距離が均等な複数の小孔を有する第１多孔円板と、円板の全面に隣り合う孔の距離が均等な複数の小孔が形成された第２多孔板とを備えたエネルギー回収チャンバーについて、実験を重ねるとともに数値流体解析（ＣＦＤ）によるチャンバー内の流れの分布の分析を行った。
　図５は、円筒形のエネルギー回収チャンバーの軸方向断面で、流体を海水としたときの上記数値流体解析によるチャンバーの入口ポート（Inlet Port）から第２多孔板の下流に至るまでの流れ分布を示す図である。図中の矢印は流れの速度の大きさを矢印の長さで、流れの向きを矢印の向きで示している。図５において、ポートの上方の部材が第１の多孔板であり、第１多孔板の上方の部材が第２多孔板である。

　図５に示すように、ポートから軸方向にチャンバーに流入した流れは、小径のポートからチャンバーに流入するので、チャンバーのポート付近の速度分布は中央部が大きな流れになる。この中央部の高速な流れは、多孔板の板面がポートと対向する第１多孔板の中央の閉塞部に衝突し、第１多孔板の中央の閉塞部の板面に沿って水平にチャンバー外周方向に向かう流れとなる。流体は第１多孔板の閉塞部より外側の外周部に形成した小孔からのみ多孔板を通過して下流に流れる。第１多孔板の閉塞部より外側の外周部から小孔を通過した第１多孔板下流の流れは、第１多孔板の中央の閉塞部の近隣の流れほど大きな速度ベクトルがあり、その流れが軸方向の速度成分を保ったまま一旦外周方向側に流れた後、チャンバー壁近傍で再び中央部に集まるように流れ、第２多孔板の板面に沿って第２多孔板の中心部方向に向けて流れ、第２多孔板の中心部で軸方向ポート方向に反転して渦（リングボルテックス）が生じる。整流機構である第１多孔板と第２多孔板の間の領域で残存する流れの大きさやベクトル成分の不均一は、第２多孔板の作用で均一化され第２多孔板の下流へ流出するが、第２多孔板の中央付近では図５に示すように、リングボルテックスの作用で生じる第２多孔板の小孔への流入は、流入方向が小孔の方向に対して垂直方向、すなわち、板に対してリングボルテックスの流線が接線方向に向かうことから、特に、第２多孔板の中央部周りの小孔には流入しづらく、第２多孔板出口の中央付近での第２多孔板から下流に向かう流速が低下し、相対的に第２多孔板の外周側ほど流速が大きくなるので、第２多孔板の整流効果が弱まる傾向があった。図４に示す中央部に星型多角形の閉塞部を有する第１多孔板を用いる場合、こうした中央付近での流速低下を緩和することができるが、完全に整流することは出来なかった。また、小径のポートから流入する流速が変化すると、それに応じて、リングボルテックスの位置と強さ（周方向速度成分）も変化し、第２多孔板からチャンバー中央へ所定の距離だけ離間した評価断面における速度分布も変化し、断面内の流速分布の均一性が低下するという課題があることを見出した。

　本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、第２多孔板の直前で内側に巻き込む渦であるリングボルテックスの流れが発生して第２多孔板中央部周りの小孔に流入しづらい流速分布が生じても、リングボルテックスの流れの半径方向成分の一部が第２多孔板の小孔を通過することができ、ポートから流入する流体の流速に依存しにくく、広い範囲の流速において第２多孔板出口において均一な流れにする効果を発揮し、チャンバー内を上下に移動する界面を安定化することができるエネルギー回収装置を提供することを目的とする。

　上述の目的を達成するため、本発明のエネルギー回収装置の一態様は、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記濃縮海水ポートから離間して配置された第２多孔板と、前記チャンバー内において海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記海水ポートから離間して配置された第２多孔板とを備え、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される第１多孔板は、多孔円板であって、該多孔円板と同心の所定の直径の仮想円の外側の外周領域に孔が形成されてなり、前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第２多孔板は、全面に孔が形成された多孔円板であって、該多孔円板は中央部が第１多孔板側に向かって凸形状の回転体形状をなしていることを特徴とする。

　本発明の好ましい態様は、前記第２多孔板は、前記チャンバーの中心軸を回転中心とし、中心軸上に頂点を有し、第１多孔板側に向かって凸形状の回転体形状をなすことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第２多孔板の回転体形状の子午線が、変曲点を持たないように、単調に変化する曲線で形成されていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第２多孔板は、前記チャンバーへの取り付け時に前記回転体形状をなすように弾性変形させて取り付けることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第２多孔板は、ボルト止めあるいは溶接などにより、チャンバーに対して振動することなく、強固に固定されて取り付けられていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第２多孔板は、中央部から外周部に向かってテーパー状になっていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記第１多孔板の孔を形成しない領域は、所定の直径の円を内接円とし、該多孔円板の外径以下で且つ仮想円の直径より大きな円を外接円とする星型多角形の領域であることを特徴とする。

　本発明の海水淡水化システムの一態様は、ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに利用変換する上記エネルギー回収装置を備えたことを特徴とする。

　本発明によれば、第２多孔板の直前で内側に巻き込む渦であるリングボルテックスの流れが発生して第２多孔板中央部周りの小孔に流入しづらい流速分布が生じても、リングボルテックスの流れの半径方向成分の一部が第２多孔板の小孔を通過することができ、ポートから流入する流体の流速に依存しにくく、広い範囲の流速において第２多孔板出口において均一な流れにする効果を発揮し、チャンバー内を上下に移動する界面を安定化することができる。

図１は、従来の海水淡水化システムの構成例を示す模式図である。図２は、図１に示す海水淡水化システムに適用されるエネルギー回収チャンバーの概略断面図である。図３Ａは、図２に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された多孔板を示す平面図であり、海水ポート側および濃縮海水ポート側の第１多孔板を示している。図３Ｂは、図２に示すエネルギー回収チャンバー内に設置された多孔板を示す平面図であり、海水ポート側および濃縮海水ポート側の第２多孔板を示している。図４は、中央部に星型多角形の閉塞部を有する第１多孔板を示す平面図である。図５は、数値流体解析によるチャンバーの入口ポート（Inlet Port）から第２多孔板の下流に至るまでの流れ分布を示す図である。図６Ａは、比較例としてのエネルギー回収チャンバーの一部（濃縮海水ポート側）を示す断面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す第２多孔板を示す図であり、上側の図は第２多孔板の平面図であり、下側の図は第２多孔板の断面図である。図６Ｃは、比較例としてのエネルギー回収チャンバーの全体を示す断面図である。図７は、本発明に係るエネルギー回収チャンバーの断面図である。図８Ａは、従来のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板の整流作用と本発明のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板の整流作用を比較して示す模式図であり、従来のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板（図３Ｂ）の整流作用を示す。図８Ｂは、従来のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板の整流作用と本発明のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板の整流作用を比較して示す模式図であり、本発明のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板の整流作用を示す。図９は、図７に示す本発明のエネルギー回収チャンバーの整流作用を示す断面図である。図１０は、本発明の第２多孔板の他の形態を示す模式図である。

　以下、本発明に係るエネルギー回収装置の実施形態を図面を参照して説明する。図１乃至図１０において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
　図７は、本発明に係るエネルギー回収チャンバーの断面図である。図７に示すエネルギー回収チャンバーは、図１に示す海水淡水化システムに適用される。図７に示す本発明のエネルギー回収チャンバー２０は、チャンバー内部に、海水ポートＰ２から距離Ｌ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置されており、同様に濃縮海水ポートＰ１からＬ１だけ離間した位置に水平に第１多孔板２４が配置され、さらにそれぞれの第１多孔板２４からＬ２だけ離間した位置に水平に第２多孔板２５が配置されている。第１多孔板２４は、中央部の仮想円を内接円とし、それより外周の仮想円を外接円とする星型六角形の外側に、複数の小孔が形成され、星型六角形の内側（中心側）には小孔が形成されていない１枚の多孔板であり、図４に示したものと同様の構成である。

　図４に示す第１多孔板２４の中央部の仮想円の径（φｄｃ）は、図７における海水ポートの内径φｄｓ、濃縮海水ポートの内径φｄｂと同じ径、あるいはそれより僅かに大きな径とすることで、各ポートから流入する高速な流れを閉塞部に衝突させて流れを遅くするようにする。しかし、閉塞部を各ポートより大きくしすぎると、外周側に設けた複数の小孔２４ｈを通過する流れが外周側に偏り、均一化作用が逆に小さくなるため、各ポートの内径とほぼ同じ径の仮想円とする。第１多孔板２４を中央部が閉塞し外周部がメッシュ材である多孔質板としてもよい。第２多孔板２５は、全面に小孔が等間隔に形成された円板からなる多孔板である点は、図３Ｂに示したものと同様の構成である。

　しかしながら、図７に示すように、第２多孔板２５は、中央部が流体導入側（第１多孔板側）に向かって凸形状の回転体形状をしている。すなわち、第２多孔板２５は、チャンバー本体２１の中心軸Ｃｘを回転中心とし、中心軸Ｃｘ上に頂点を有し、流体導入側（第１多孔板側）に向かって凸形状の回転体形状をなしている。この凸形状の回転体形状には、例えば凸球面、凸曲面、円錐などが含まれる。
　なお、第２多孔板２５をチャンバー本体２１に取り付ける際に、中央部が流体導入側（第１多孔板側）に向かって凸形状の回転体形状をなすように、第２多孔板２５を弾性変形させて取り付けてもよい。

　図７に示すように、第２多孔板２５は、中央部が流体導入側（第１多孔板側）に向かって凸形状の回転体形状をしているため、第２多孔板２５の表面が内周側で軸方向流体導入側に凸形状に盛り上がるため、第２多孔板２５に形成した各小孔２５ｈも多孔板の外周側より内周側を流体導入側に位置させることができる。すなわち、第２多孔板２５の表面は、中心軸Ｃｘ上を頂点として中央部から外周部に向かって勾配のあるテーパー面になっている。そのため、流体半径方向成分の一部も小孔２５ｈを通過でき、前記渦（リングボルテックス）が発生している際にも第２多孔板２５の中央部付近も流体が通過しやすくなり、渦による影響を低減でき、高い整流効果が得られる。

　図８Ａ，図８Ｂは、従来のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板２５の整流作用と本発明のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板２５の整流作用を比較して示す模式図であり、図８Ａは従来のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板２５の整流作用を示し、図８Ｂは本発明のエネルギー回収チャンバーにおける第２多孔板２５の整流作用を示す。図８Ａ，図８Ｂにおいて、第２多孔板２５上に描かれた四角の枠で囲まれた部分の拡大図をチャンバーの上方に示す。また、第２多孔板２５の部分に記載されている矢印は、流れの速度を矢印の長さで、流れの向きを矢印の向きで示している。

　従来のエネルギー回収チャンバーにおいては、図８Ａに示すように、第１多孔板２４と第２多孔板２５の間の領域では、流体は第２多孔板２５の直前で内側に巻き込む渦（リングボルテックス）が発生している。そのため、第２多孔板２５の内周側（中央部）では、リングボルテックスに影響されて、流体が板に対して接線方向に向かい、小孔２５ｈを通過しにくい。したがって、第２多孔板２５を通過する流れの速度分布は、第２多孔板の中央部が小さく外周部が大きな流れになり、整流効果が弱まる。

　次に、比較例として、チャンバー下部の濃縮海水ポート側の第２多孔板２５における外周部の流体抵抗を増大し、中央部の流体抵抗を減少させる形態とする場合を図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃを参照して説明する。図６Ａは、比較例としてのエネルギー回収チャンバーの一部（濃縮海水ポート側）を示す断面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す第２多孔板を示す図であり、上側の図は第２多孔板の平面図であり、下側の図は第２多孔板の断面図である。図６Ｃは、比較例としてのエネルギー回収チャンバーの全体を示す断面図である。
　図６Ａ，図６Ｂに示すように、チャンバー下部の濃縮海水ポート側の第２多孔板を外周部での流体抵抗を増大し、中央部での流体抵抗を減少させる形態としている。すなわち、第２多孔板２５における小孔の開口率は、外周部より中央部を大きくしている。これにより、第２多孔板２５の下流での流速分布を均一化することができる。しかしながら、こうした第２多孔板２５の形態は、図６Ｃに示すように、上部の海水ポート側の第２多孔板２５に向かう流れの外周部での流速を低減し、断面内の流速分布の均一性を損ない、濃縮海水と海水との間の界面を変形させるという不都合を生じる。この問題は、一つのチャンバー内で流れ方向を反転させて、界面を上下に押し引きして作動させる、エネルギー回収チャンバー特有の問題である。
　更に、小径のポートから流入する流速が変化すると、リングボルテックスの位置と強さ（周方向速度成分）も変化し、図６Ｂに示すようにあらかじめ定めた多孔板の開口面積の粗密分布は最適なものとなり得ないという不都合も生じる。

　これに対して、本発明のエネルギー回収チャンバーにおいては、図８Ｂに示すように、第２多孔板２５は、中央部が流体導入側（第１多孔板側）に向かって凸形状の回転体形状をしている。そのため、第２多孔板２５の表面が内周側で軸方向流体導入側に凸形状に盛り上がるので、第２多孔板２５に形成した各小孔２５ｈも多孔板の外周側より内周側を流体導入側に位置させることができる。図８Ｂに示すように、各小孔２５ｈは、第２多孔板２５の板面に対して直交する方向に形成されている。したがって、流体半径方向成分の一部も小孔２５ｈを通過でき、前記渦（リングボルテックス）が発生している際にも第２多孔板２５の中央部付近も流体が通過しやすくなり、渦による影響を低減できる。そのため、第２多孔板２５を通過する流れの速度分布は、第２多孔板２５の中央部から外周部まで均一になり、高い整流効果が得られる。また、第２多孔板２５の各小孔２５ｈの直径ｄｋ２に対する第２多孔板２５の板厚ｔ２の関係が、０．２≦ｔ２／ｄｋ２≦２．０であることが好ましい。

　本発明によれば、小径のポートから流入する流速が変化し、それに応じてリングボルテックスの強さが変化した場合も、変化した流速分布に応じて第２多孔板の凸形状の回転体形状による整流作用が機能するため、常に高い整流効果が得られる。
　さらに、こうした本発明の第２多孔板の形態によれば、チャンバー内で界面を押し引きすることで、第２多孔板を下方から上方、あるいは上方から下方に向かって流れる何れの場合の流動抵抗もほとんど差異が無い。
　図９は、図７に示す本発明のエネルギー回収チャンバーの整流作用を示す断面図である。図９に示すように、本発明のエネルギー回収チャンバーによれば、海水ポート側の第２多孔板と濃縮海水ポート側の第２多孔板との間のチャンバー空間内の全域にわたって流速分布を均一に保ち、界面を安定させることができるため、図６Ｃで示した図６Ａ，図６Ｂの整流方法の欠点が生じることもない。
　図８Ｂに示す本発明の形態では、小孔が多孔板に垂直方向に形成されているため、第２多孔板を通過する流れはチャンバーの軸方向からわずかに傾斜して流入、流出する。しかし、第２多孔板の板厚が穴径と比較し十分に薄い場合にはほとんど問題にならない。
　なお、第２多孔板から流出する流れの乱れを低減するためには、前記第２多孔板の回転体形状の子午線の曲率の変化が少なく、変曲点を持たないように、単調に変化する曲線で形成されていることが望ましく、また多孔板の振動などによる流れの乱れを生じることが無いように、第２多孔板は、ボルト止めあるいは溶接などにより、チャンバーに対して振動することなく、強固に固定されて取り付けられていることが望ましい。

　図１０は、本発明の第２多孔板２５の他の形態を示す模式図である。図１０に示す第２多孔板２５においては、各小孔２５ｈは、チャンバー本体２１の軸線方向に形成されている。この構成は、第２多孔板２５の各小孔２５ｈの直径ｄｋ２に対する第２多孔板２５の板厚ｔ２の関係が、２＜ｔ２／ｄｋ２の場合が好ましく、各小孔２５ｈの軸方向はチャンバーＣＨの軸方向から±０．５度以内が好ましい。
　図１０に示す第２多孔板２５のその他の構成は、図８Ｂに示す第２多孔板２５の構成と同様である。また、図１０に示すように、第２多孔板２５による整流作用は、図８Ｂに示す第２多孔板２５による整流作用と同等である。
　図１０に示す本発明の形態によれば、上方から下方、あるいは下方から上方に向かって第２多孔板を通過する何れの流れも、多孔板から軸方向に向かって整然と流入、流出し、より高い整流効果を発揮することができる。

　これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

　本発明は、海水から塩分を除去して海水を淡水化する海水淡水化システムおよび海水淡水化システム（海水淡水化プラント）に好適に用いられるエネルギー回収装置に利用可能である。

　　１　　　海水供給ライン
　　２　　　高圧ポンプ
　　３　　　吐出ライン
　　４　　　逆浸透膜分離装置
　　５　　　濃縮海水ライン
　　６　　　制御弁
　　７，９　バルブ
　　８　　　ブースターポンプ
　１７　　　濃縮海水排出ライン
　２０　　　エネルギー回収チャンバー
　２１　　　チャンバー本体
　２２　　　端板
　２４　　　第１多孔板
　２４ｈ　　小孔
　２５　　　第２多孔板
　２５ｈ　　小孔
　Ｃｘ　　　チャンバー本体の中心軸
　Ｐ１　　　濃縮海水ポート
　Ｐ２　　　海水ポート

Claims

　ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに変換するエネルギー回収装置であって、
　内部に濃縮海水および海水を収容する空間を有し、長手方向を鉛直に配置した円筒形状のチャンバーと、
　前記チャンバーの下部に設けられ、濃縮海水の給排水を行う濃縮海水ポートと、
　前記チャンバーの上部に設けられ、海水の給排水を行う海水ポートと、
　前記チャンバー内において濃縮海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記濃縮海水ポートから離間して配置された第２多孔板と、
　前記チャンバー内において海水ポート側に配置されるとともに互いに離間して配置された２つの多孔板であって、第１多孔板と、該第１多孔板より前記海水ポートから離間して配置された第２多孔板とを備え、
　前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側に配置される第１多孔板は、多孔円板であって、該多孔円板と同心の所定の直径の仮想円の外側の外周領域に孔が形成されてなり、
　前記濃縮海水ポート側および前記海水ポート側の第２多孔板は、全面に孔が形成された多孔円板であって、該多孔円板は中央部が第１多孔板側に向かって凸形状の回転体形状をなしていることを特徴とするエネルギー回収装置。
　前記第２多孔板は、前記チャンバーの中心軸を回転中心とし、中心軸上に頂点を有し、第１多孔板側に向かって凸形状の回転体形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー回収装置。
　前記第２多孔板は、前記チャンバーへの取り付け時に前記回転体形状をなすように弾性変形させて取り付けることを特徴とする請求項１または２に記載のエネルギー回収装置。
　前記第２多孔板は、中央部から外周部に向かってテーパー状になっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
　前記第１多孔板の孔を形成しない領域は、所定の直径の円を内接円とし、該多孔円板の外径以下で且つ仮想円の直径より大きな円を外接円とする星型多角形の領域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置。
　ポンプによって昇圧した海水を逆浸透膜分離装置に通水して淡水と濃縮海水に分離して海水から淡水を生成する海水淡水化システムにおいて、
　前記逆浸透膜分離装置から吐出される濃縮海水の圧力エネルギーを前記海水の圧力エネルギーに利用変換する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のエネルギー回収装置を備えたことを特徴とする海水淡水化システム。