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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-07-26
(54)【発明の名称】混合が低減された圧力交換器
(51)【国際特許分類】
F04B 9/08 20060101AFI20240719BHJP
【ＦＩ】
F04B9/08 H
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024500226
(86)(22)【出願日】2022-07-07
(85)【翻訳文提出日】2024-02-19
(86)【国際出願番号】 US2022036407
(87)【国際公開番号】W WO2023283371
(87)【国際公開日】2023-01-12
(31)【優先権主張番号】63/219,767
(32)【優先日】2021-07-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/858,936
(32)【優先日】2022-07-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】516099646
【氏名又は名称】エナジー リカバリー，インコーポレイティド
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100114018
【弁理士】
【氏名又は名称】南山 知広
(74)【代理人】
【識別番号】100153729
【弁理士】
【氏名又は名称】森本 有一
(72)【発明者】
【氏名】オンプラカシュ サムドララ
(72)【発明者】
【氏名】アザム ミヒール タッテ
(72)【発明者】
【氏名】ドゥン レ トラン
(72)【発明者】
【氏名】マイケル ジェルソン
(72)【発明者】
【氏名】アレクサンダー パトリック テオドッシュー
(72)【発明者】
【氏名】マシュー ジョセフ パトム
(72)【発明者】
【氏名】ファルシャド ガスリプール
【テーマコード（参考）】
3H075
【Ｆターム（参考）】
3H075AA01
3H075AA12
3H075BB01
3H075BB14
3H075CC19
3H075DA03
3H075DA04
3H075DB10
3H075DB43
(57)【要約】
本発明は、以下の圧力交換器に関する。該圧力交換器は、ダクトを形成するロータを備え、上記ダクトは、第１のダクト開口から第２のダクト開口までである。圧力交換器は、浮動ピストンをさらに備え、上記浮動ピストンは、上記ダクト内で上記第１のダクト開口と上記第２のダクト開口の間を運動して、上記第１の流体と上記第２の流体の間で圧力を交換させつつ、上記第１の流体と上記第２の流体の混合を防止するように構成されている。圧力交換器は、上記浮動ピストンが上記第１のダクト開口で上記ダクトを出ることを防止するように構成された、第１のアダプタプレートと、上記浮動ピストンが上記第２のダクト開口で上記ダクトを出ることを防止するように構成された、第２のアダプタプレートと、をさらに備える。上記第１のアダプタプレートは、上記第１の流体を上記第１のダクト開口に向かわせる第１のアパーチャを形成しており、かつ上記第２のアダプタプレートは、上記第２の流体を上記第２のダクト開口に向かわせる第２のアパーチャを形成している。
【選択図】図７Ｂ
【選択図】図７Ｂ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
水圧エネルギー伝達システムであって、前記水圧エネルギー伝達システムは、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成された圧力交換器を含んでおり、前記圧力交換器は、
ダクトを形成するロータを備え、前記ダクトは、前記ロータによって形成された第１のダクト開口から前記ロータによって形成された第２のダクト開口までであり、前記第１のダクト開口及び前記第２のダクト開口は、第１の開口幅を有し、前記圧力交換器は、前記第１の流体を前記第１のダクト開口に向かわせ、かつ前記第２の流体を前記第２のダクト開口に向かわせるように構成されており、前記圧力交換器はさらに、
前記ダクト内に配置された浮動ピストンを備え、前記浮動ピストンは、前記ダクト内で前記第１のダクト開口と前記第２のダクト開口の間を運動して、前記ダクト内で前記第１の流体と前記第２の流体の間で圧力を交換させつつ、前記第１の流体と前記第２の流体の混合を防止するように構成されており、前記圧力交換器はさらに、
前記第１のダクト開口に近接して配置された第１のアダプタプレートを備え、前記第１のアダプタプレートは、前記浮動ピストンが前記第１のダクト開口で前記ダクトを出ることを防止するように構成され、かつ前記第１のアダプタプレートは、前記第１の流体を前記第１のダクト開口に向かわせる第１のアパーチャを形成しており、前記圧力交換器はさらに、
前記第２のダクト開口に近接して配置された第２のアダプタプレートを備え、前記第２のアダプタプレートは、前記浮動ピストンが前記第２のダクト開口で前記ダクトを出ることを防止するように構成され、かつ前記第２のアダプタプレートは、前記第２の流体を前記第２のダクト開口に向かわせる第２のアパーチャを形成している、水圧エネルギー伝達システム。
【請求項2】
前記浮動ピストンは、筒状体部と、
前記第１のアダプタプレートと係合するように構成された、前記筒状体部の第１の端上に配置された第１の湾曲接触面と、
前記第２のアダプタプレートと係合するように構成された、前記筒状体部の第２の端上に配置された第２の湾曲接触面と、をさらに備える、請求項１に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項3】
前記筒状体部は、第１の体幅を有する第１の部分と、
前記第１の体幅を有する第２の部分と、
前記第１の部分と前記第２の部分の間に配置された第３の部分であって、前記第３の部分は前記第１の体幅よりも小さい第２の体幅を有する、第３の部分と、をさらに備える、請求項２に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項4】
前記水圧エネルギー伝達システムは、前記ロータに結合された電気モータをさらに備え、前記電気モータは前記ロータの回転を駆動するように構成されている、請求項１に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項5】
前記ロータは、筒状構造をさらに備え、前記筒状構造は、前記筒状構造の円周上に配置された一連のベーンを形成している、請求項１に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項6】
前記水圧エネルギー伝達システムは、前記第１の流体を圧送するように構成された高圧ポンプをさらに備え、前記圧力交換器は、前記高圧ポンプから前記第１の流体を受け取るように構成されており、前記第１の流体の第１の部分は、前記高圧ポンプから前記第１のダクト開口へと供給されるようになっており、かつ前記第１の流体の第２の部分は、前記高圧ポンプから前記一連のベーンへと供給され、前記ロータの前記圧力交換器の中心軸を中心とした回転を引き起こすようになっており、前記水圧エネルギー伝達システムは、
前記第２の流体を圧送するように構成された低圧ポンプをさらに備え、前記圧力交換器は、前記低圧ポンプから前記第２の流体を受け取るように構成されている、請求項５に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項7】
前記第１のアパーチャは第１のアパーチャ幅を有しており、前記第１のダクト開口の前記第１の開口幅は前記第１のアパーチャ幅よりも大きく、かつ前記浮動ピストンは、前記ダクト内に流体シールを形成する第１の部分を備え、前記第１の部分は、前記第１の開口幅に実質的に等しい第１の部分幅を有し、前記浮動ピストンはさらに、
前記第１の開口幅よりも小さい第２の部分幅を有する第２の部分を備え、前記第２の部分は、前記第１のアパーチャに嵌合するように構成されている、
請求項１に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項8】
最初の位置にあることに応答して、前記浮動ピストンの前記第１の部分は、前記浮動ピストンと前記ダクトの表面と前記第１のアダプタプレートの間に、シールされた流体のポケットを形成し、かつ、前記浮動ピストンが前記第１のダクト開口に接近していることに応答して、制動力が前記浮動ピストンに加えられるようになっている、請求項７に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項9】
水圧エネルギー伝達システムであって、前記水圧エネルギー伝達システムは、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成された圧力交換器を含んでおり、前記圧力交換器は、
ダクトを形成するロータを備え、前記ダクトは、前記ロータによって形成された第１のダクト開口から前記ロータによって形成された第２のダクト開口までであり、前記圧力交換器は、前記第１の流体を前記第１のダクト開口に向かわせ、かつ前記第２の流体を前記第２のダクト開口に向かわせるように構成されており、前記圧力交換器はさらに、
前記ダクト内に配置された第１のピストンを備え、前記第１のピストンは、前記ダクト内に第１の流体シールを形成し、前記圧力交換器はさらに、
前記ダクト内に配置された第２のピストンを備え、前記第２のピストンは、前記ダクト内に第２の流体シールを形成し、前記圧力交換器はさらに、
前記第１のピストンと前記第２のピストンを接続するロッドを前記ダクト内に備え、前記ロッドは、前記第１のピストンと前記第２のピストンの間の軸方向の運動を伝動し、前記第１の流体と前記第２の流体の間での圧力交換を引き起こすように構成されている、水圧エネルギー伝達システム。
【請求項10】
前記ダクトは、前記第１のダクト開口に近接した第１の部分を備え、前記第１の部分は第１の幅を有し、前記第１のピストンは前記第１の部分内に配置されており、前記ダクトはさらに、
前記第２のダクト開口に近接した第２の部分を備え、前記第２の部分は前記第１の幅と実質的に等しい第２の幅を有し、前記第２のピストンは前記第２の部分内に配置されており、前記ダクトはさらに、
前記第１の部分と前記第２の部分の間に配置された第３の部分を備え、前記第３の部分は第３の幅を有し、前記第３の幅は前記第１の幅及び前記第２の幅の各々よりも小さい、請求項９に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項11】
前記水圧エネルギー伝達システムは、前記第１のピストンと前記第３の部分と前記ダクトの表面の間にシールされた流体のポケットを形成して、制動力を引き起こし、前記制動力は、前記第１のピストンが前記ダクトの前記第３の部分に接近することに応答して前記第１のピストンに加えられるか、又は、前記第２のピストンが前記ダクトの前記第３の部分に接近することに応答して前記第２のピストンに加えられるか、のうち少なくとも一方である、請求項１０に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項12】
前記水圧エネルギー伝達システムは、前記ロータに結合されたモータアセンブリをさらに備え、前記モータアセンブリは前記ロータの回転を駆動するように構成されている、請求項９に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項13】
前記ロータは筒状構造を備え、前記筒状構造は、前記筒状構造の円周上に配置された一連のベーンを形成している、請求項９に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項14】
前記水圧エネルギー伝達システムは、前記第１の流体を圧送するように構成された高圧ポンプをさらに備え、前記圧力交換器は、前記高圧ポンプから前記第１の流体を受け取るように構成されており、前記第１の流体の第１の部分は、前記高圧ポンプから前記第１のダクト開口へと供給されるようになっており、前記第１の流体の第２の部分は、前記高圧ポンプから前記一連のベーンへと供給され、前記ロータの前記圧力交換器の中心軸を中心とした回転を引き起こすようになっており、前記水圧エネルギー伝達システムは、
前記第２の流体を圧送するように構成された低圧ポンプをさらに備え、前記圧力交換器は、前記低圧ポンプから前記第２の流体を受け取るように構成されている、請求項１３に記載の水圧エネルギー伝達システム。
【請求項15】
第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成された圧力交換器であって、前記圧力交換器は、中心軸を中心として回転するように構成されたロータを備え、前記ロータはダクトを形成し、前記ダクトは、前記ロータによって形成された第１のダクト開口から前記ロータによって形成された第２のダクト開口までであり、前記圧力交換器は、前記第１の流体を前記第１のダクト開口に向かわせ、かつ前記第２の流体を前記第２のダクト開口に向かわせるように構成されており、前記圧力交換器はさらに、
前記ダクト内に配置された浮動ピストンを備え、前記浮動ピストンは、前記ダクト内に隔壁を形成して、前記第１の流体と前記第２の流体の混合を防止しかつ前記第１の流体と前記第２の流体の間での圧力交換を引き起こすように構成され、かつ前記浮動ピストンは、前記ダクト内で軸方向に摺動するように構成された軸方向に対称な構造を備えている、圧力交換器。
【請求項16】
前記圧力交換器は、前記第１のダクト開口に近接して配置された第１のアダプタプレートをさらに備え、前記第１のアダプタプレートは、前記浮動ピストンが前記第１のダクト開口を介して前記ダクトを出ることを防止するように構成され、前記第１のアダプタプレートは、前記第１の流体を前記第１のダクト開口に向かわせる第１のアパーチャを形成しており、前記圧力交換器は、
前記第２のダクト開口に近接して配置された第２のアダプタプレートをさらに備え、前記第２のアダプタプレートは、前記浮動ピストンが前記第２のダクト開口を介して前記ダクトを出ることを防止するように構成され、前記第２のアダプタプレートは、前記第２の流体を前記第２のダクト開口に向かわせる第２のアパーチャを形成している、請求項１５に記載の圧力交換器。
【請求項17】
前記圧力交換器は、前記ダクトの内部で前記第１のダクト開口に近接して配置された、第１の束縛構造をさらに備え、前記第１の束縛構造は、前記浮動ピストンが前記ダクトを出ることを防止するように構成されており、前記圧力交換器は、
前記第２のダクト開口に近接して配置された第２の束縛構造をさらに備え、前記第２の束縛構造は、前記浮動ピストンが前記ダクトを出ることを防止するように構成されており、かつ前記第１の束縛構造又は前記第２の束縛構造のうち少なくとも１つは、前記ダクト内にプレス嵌めされているか、前記ダクト内に焼嵌めされているか、又は、対応する保持リング同士の間か又は対応する保持リングと対応する前記ロータのダクト側壁の間で、前記ダクト内に拘束されている、請求項１５に記載の圧力交換器。
【請求項18】
前記浮動ピストンは、筒状体部と、
前記第１の束縛構造と係合するように構成された、前記筒状体部の第１の遠位端にある第１のノーズ表面と、
前記第２の束縛構造と係合するように構成された、前記筒状体部の第２の遠位端にある第２のノーズ表面と、をさらに備える、請求項１７に記載の圧力交換器。
【請求項19】
前記第１の束縛構造に近接していることに応答して、前記浮動ピストンは、前記浮動ピストンと前記ロータのダクト表面と前記第１の束縛構造の間に、シールされた流体のポケットを形成し、かつ、前記シールされた流体のポケット内の圧力は、前記浮動ピストンが前記ダクト内で軸方向に運動している際、前記浮動ピストンのピストン速度に比例して上昇し、制動力が前記浮動ピストンに加えられるようにするように構成されている、請求項１７に記載の圧力交換器。
【請求項20】
前記ロータが回転していないことに応答して、１つ以上のバルブが、前記ロータの水圧駆動部に流体流を供給して前記ロータが回転するようにし、かつ、前記ロータが回転していることに応答して、前記１つ以上のバルブは、前記水圧駆動部に向かう前記流体流を阻止するようになっている、
請求項１５に記載の圧力交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の幾つかの実施形態は、一般的には、混合が低減された圧力交換器に関する。
【背景技術】
【0002】
システムは、異なる圧力の流体を使用する。ポンプは、システムに用いられている流体の圧力を上昇させるように用いられ得る。
【0003】
本開示は、限定ではなく例示として、同様の参照符号が同様の要素を示す添付の図面の図に示されている。本開示において、「ある」又は「１つの」実施形態に対する異なる参照は、必ずしも同じ実施形態に対するものではなく、そのような参照は、少なくとも１つを意味するということに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【0005】
【0006】
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【発明を実施するための形態】
【0015】
本明細書で記述される実施形態は、混合が低減された圧力交換器に関する（例：水圧エネルギー伝達システム）。
【0016】
システムは、異なる圧力の流体を使用することが可能である。これらのシステムは、水圧破砕（例：フラッキング（ｆｒａｃｋｉｎｇ）又はフラッキング（ｆｒａｃｉｎｇ））システム、脱塩システム、冷凍システム、マッドポンプシステム、スラリーポンプシステム、工業用流体システム、廃液システム、流体輸送システム、等を含み得る。ポンプは、システムに用いられている流体の圧力を上昇させるように用いられ得る。
【0017】
幾つかの従来のシステムは、ポンプを用いて、固体粒子を含む流体（例：粒子含有流体、スラリー流体）、化学物質を含む流体、及び／又は閾値を満たす粘性を有する流体の揚程（圧力）を上昇させている。従来では、固体粒子（例：砂、粉末、デブリ、セラミック等）、化学物質、及び／又は粘性が、時間をかけてポンプを損傷し、その効率を低下させている。そのため、従来のシステムは、ポンプの整備、修理、及び交換を行うことができるよう、長いダウンタイムを経ている。
【0018】
幾つかの従来のシステムは、特殊化されたポンプを用いており、それらの特殊化されたポンプは、固体粒子（例：研磨材）、化学物質、及び／又は流体に関連付けられた粘性によってもたらされる損傷を低減するために、大きなクリアランスを有しており、高価な特殊材料又は硬化材料を使用する場合があり、かつ／又は、ゴムライニングされている場合がある。これらのポンプは非効率的であり、所望の揚程（圧力）を提供しようと試みるため、複数のポンプを直列で使用することが必要とされる場合がある。これらのポンプは、依然として摩耗及び浸食を受ける。従来のシステムで使用されているこれらのポンプは、材料費の増加、製造の複雑さの増加、及びシステム全体での効率の低下をもたらす場合がある。ポンプにおける浸食及び／又は摩耗は、例えば、寿命を縮め、効率を低くし、漏出を増やし、サービス間隔を長くし、部品交換を増やし、かつ（例えば、脱塩、フラッキング、冷凍、スラリーポンプの）収量を低くする。
【0019】
圧力伝達システムは、幾つかの用途に用いられ得る。多くの工業プロセスは高圧で運転され、かつ高圧の廃棄流を生じる。高圧を必要とする動作のために高圧を供給する１つの方法は、高圧の流体（例：高圧の廃棄流体）から高圧運転に使用可能な流体（例：フラッキング流体）に圧力を伝達することである。特定の効率的な種類の圧力交換装置は、回転式圧力交換器である。回転式圧力交換器は、回転軸に対して平行に並べられた長手方向のダクトを有する筒状のロータを用いる。ロータは２つのエンドカバーによって取り囲まれたスリーブの内部で回転する。圧力エネルギーは、ロータのチャネル内で、高圧の流れから低圧の流れへと直接的に伝達される。チャネル内に残存する幾らかの流体は、それらの流れの間で混合が起きてしまうことを防止する隔壁としてはたらく。ロータのチャネルは、圧力伝達プロセスが繰り返される際に、流入及び流出をさせる。
【0020】
従来の圧力交換器（例：回転式圧力交換器）は、圧力エネルギーがそれらの間で交換される種の（例：第１の流体と第２の流体の）幾らかの相互汚染を生じる。この相互汚染は、幾つかの用途においては望ましくないものである。この望ましくない相互汚染の結果として、従来の回転式圧力交換システムは、様々な工業的用途から除外されるか、又は著しい性能の損失を生じる。例えば、フラッキング又は脱塩において、種間の汚染は、圧力交換器の動作効率の低下を生じ得る。アミンベースの天然ガス処理プラントでは、従来の圧力交換器を使用した「リッチ」アミンと「リーン」アミンの間での圧力交換は、「リッチ」アミン中の腐食性の硫化水素（Ｈ２Ｓ）の存在によって、不可能である。幾つかの従来の圧力交換器では、圧力を交換する流体の圧力及び流量を組み合わせることにより、流体の混合を最小化する（例：防止する）ように調節することが可能であるが、しかしながら、流体間の接触領域内で生じる一定レベルの相互汚染は依然として存在する。圧力交換の種の相互汚染は、流体混合がより少ないシステムよりも、部品の摩耗を早める可能性がある。部品の維持管理（例：修理、交換）及び圧力交換の効率低下、ならびに種が圧力交換装置内で混ざり合う他の影響は、流体間で発生する混合の量を低減する（例：防止する）ことによって低減され得る。
【0021】
本明細書で開示される装置及びシステムは、（例えば、ある流体から他の流体へと）圧力を交換している際の種（例：流体）の混合を減じる（例：防止する、低減する）ように構成された、水圧エネルギー伝達システム（例：回転式等圧圧力交換器（ｒｏｔａｒｙ ｉｓｏｂａｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｅｘｃｈａｎｇｅｒ（ＩＰＸ））を提供する。この水圧エネルギー伝達システムは、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成されたＩＰＸを含み得る。ＩＰＸは、ダクト（例：チャネル）を形成し得るのであって、このダクトは、ＩＰＸによって形成された第１のダクト開口からＩＰＸによって形成された第２のダクト開口までである。ＩＰＸは、第１の流体を第１の幅（例：第１の開口幅）を有する第１のダクト開口に向かわせ、かつ第２の流体を第２の幅（例：第２の開口幅）を有する第２のダクト開口に向かわせるように、構成される。ＩＰＸは、第１の流体と第２の流体の間での圧力の交換を可能にする一方で（例：圧力を交換する一方で）、第１の流体と第２の流体の混合を低減する（例：阻止する）、ダクト内に配置された浮動ピストンを含み得る。ＩＰＸは、第１のアダプタプレート及び第２のアダプタプレートを含み得る。第１のアダプタプレートは、浮動ピストンが第１のダクト開口を介してダクトを出ていくことを防止することができる。第２のアダプタプレートは、浮動ピストンが第２のダクト開口を介してダクトを出ていくことを防止することができる。
【0022】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム（例：回転式ＩＰＸ）は、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成されたＩＰＸを含み得る。ＩＰＸは、ダクト（例：チャネル）を形成し得るのであって、このダクトは、ＩＰＸによって形成された第１のダクト開口からＩＰＸによって形成された第２のダクト開口までである。ＩＰＸは、第１の流体を第１のダクト開口に向かわせ、かつ第２の流体を第２のダクト開口に向かわせるように、構成され得る。ＩＰＸは、ダクト内に配置された第１のピストンを含み得る。第１のピストンは、ダクト内に第１の流体シールを形成する。ＩＰＸは、ダクト内に配置された第２のピストンをさらに含み得る。第２のピストンは、ダクト内に第２の流体シールを形成し得る。ＩＰＸは、ダクト内で第１のピストンと第２のピストンの間に配置されたロッドをさらに備え得る。このロッドは、第１のピストンと第２のピストンの間で軸方向に往復運動し、第１の流体と第２の流体の間で圧力を伝達するように構成され得る。
【0023】
幾つかの実施形態では、回転式ＩＰＸ（例えば、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成されている）は、中心軸を中心として回転するように構成されたロータを含む。このロータは、ダクト（例：チャネル）を形成し得るのであって、このダクトは、ロータによって形成された第１のダクト開口からロータによって形成された第２のダクト開口までである。この回転式ＩＰＸは、第１の流体を第１のダクト開口に向かわせ、かつ第２の流体を第２のダクト開口に向かわせ得る。ＩＰＸは、ダクト内に配置された第１のピストンをさらに含み得る。第１のピストンは、第１の流体と第２の流体の混合を制限すべくダクト内に流体シールを形成し、かつ第１の流体と第２の流体の間で圧力を伝達することができる。第１のピストンは、ダクト内で軸方向に摺動するように構成された、軸方向に対称な構造を備え得る。
【0024】
本明細書で開示される装置及びシステムは、従来の解決方法に対して有利な点を有する。本開示の水圧エネルギー伝達システムは、圧力交換器によって形成された１つ以上のダクトの内部に配置された、対応する可動隔壁を含み得る。本開示の各可動隔壁は、複数の流体間での圧力交換を維持しつつ、混合量を低減することができる。従来のシステムは、運転を可能にするためにバランス流（ｂａｌａｎｃｅｄ ｆｌｏｗ）（例えば、リード流（ｌｅａｄ ｆｌｏｗ）又はラグ流（ｌａｇ ｆｌｏｗ）ではない）をしばしば必要とする一方、本開示の水圧エネルギー伝達システムは、非バランス流（例：リード流又はラグ流）を有する流体間で圧力を交換することができる。本開示は、従来のシステムよりも高い圧力交換効率（例：圧力交換器によって出力される流体の量）を維持しつつ、より多様な実行可能流体を圧力交換器内で用いることを可能にし得る、相互汚染の低減を提供する。本開示の幾つかの実施形態は、等圧圧力交換器、圧力交換器、及び水圧エネルギー伝達システムに関連して記載されているが、本開示は他のシステム及び装置（例：等圧的でない圧力交換器、圧力交換器ではない回転要素、回転式ではない圧力交換器、等）に対しても適用可能である。
【0025】
本開示の幾つかの実施形態は、フラッキングシステム、脱塩システム、及び／又は冷却システムにおいて使用される流体の間での圧力交換に関連して記載されているが、本開示は、他の種類のシステムに対しても適用可能である。流体という語は、液体、気体、遷臨界流体、超臨界流体、亜臨界流体、及び／又はそれらの組み合わせ、を指し得る。
【0026】
図１Ａ－Ｄは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システムを含む流体処理システム１００の概略図を示している。流体処理システム１００は、本開示の、混合が低減された圧力交換器（例えば、ロータによって形成されたダクト内にピストンを含むような）を含む水圧エネルギー伝達システム１１０を含み得る。
【0027】
図１Ａは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：回転式ＩＰＸ）を含む流体処理システム１００Ａの概略図を示している。
【0028】
水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、低圧（ＬＰ）ｉｎ流体１２０（例：低圧入口流）を、ＬＰｉｎシステム１２２から受け取る。水圧エネルギー伝達システム１１０はまた、高圧（ＨＰ）ｉｎ流体１３０（例：高圧入口流）を、ＨＰｉｎシステム１３２から受け取りもする。水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、ＨＰｉｎ流体１３０とＬＰｉｎ流体１２０の間で圧力を交換して、ＬＰｏｕｔ流体１４０（例：低圧出口流）をＬＰｏｕｔ流体システム１４２に供給し、かつＨＰｏｕｔ流体１５０（例：高圧出口流）をＨＰｏｕｔ流体システム１５２に供給する。
【0029】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム１１０は、ＨＰｉｎ流体１３０とＬＰｉｎ流体１２０の間で圧力を交換するためのＩＰＸを備える。このＩＰＸは、（例えば、遠心技術を利用することなく）約５０％、６０％、７０％、８０％、９０％又はそれより大きな効率、を超える効率で、ＨＰｉｎ流体１３０とＬＰｉｎ流体１２０の間で流体の圧力を交換する装置であり得る。遠心技術は、流体を高速で回転させて異なる密度の流体を分離する装置を含み得る。流体は、回転中心軸を中心に半径方向から外向きに付勢される。本明細書において、「第１の」及び「第２の」流体という表記は、単に例示的なものであり、各流体を特定の範囲に特定又は限定するように用いられるものではない。
【0030】
高圧（例：ＨＰｉｎ流体１３０、ＨＰｏｕｔ流体１５０）とは、低圧（例：ＬＰｉｎ流体１２０、ＬＰｏｕｔ流体１４０）よりも大きな圧力を指す。ＩＰＸのＬＰｉｎ流体１２０は、加圧され、高圧（例：ＬＰｉｎ流体１２０の圧力よりも大きな圧力の、ＨＰｏｕｔ流体１５０）でＩＰＸを出ていき得るのであって、かつＨＰｉｎ流体１３０は、減圧され、低圧（例：ＨＰｉｎ流体１３０の圧力よりも小さな圧力の、ＬＰｏｕｔ流体１４０）でＩＰＸを出ていき得る。ＩＰＸは、ＬＰｉｎ流体１２０を加圧すべく、ＨＰｉｎ流体１３０を用いて直接力を加えるように動作することができ、これは流体間の流体セパレータの有無によらない。ＩＰＸと共に用いられ得る流体セパレータの例には、ピストン、ブラダー（ｂｌａｄｄｅｒ）、ダイヤフラム（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）、及びそれらに類するものが含まれるが、それらに限定されるわけではない。幾つかの実施形態では、ＩＰＸは回転式の装置であり得る。回転式ＩＰＸは、例えばカリフォルニア州サンレアンドロ所在のＥｎｅｒｇｙ Ｒｅｃｏｖｅｒｙ Ｉｎｃ．が製造しているような回転式ＩＰＸは、エンドカバーに対するロータの相対運動を介して効果的なバルブ作用が装置内部で達成されるので、別個のバルブを有さなくてもよい。回転式ＩＰＸは、内部のピストンを動作させて流体を分離し、かつ入口流体流の混合を相当に少なくして圧力を伝達するように設計され得る。ＩＰＸを往復させることは、流体流の間で圧力を伝達するために筒内で前後運動するピストンを含み得る。本開示では、例えば回転式ＩＰＸ、往復ＩＰＸ、又はそれらの任意の組み合わせ等、任意の１つ又は複数のＩＰＸが用いられ得るが、それらに限定されるわけではない。さらに、ＩＰＸは、流体処理システム１００の他の構成要素とは別個であるスキッド上に配置されてもよい（例えば、ＩＰＸが既存の流体処理システムに追加される場合に）。
【0031】
幾つかの実施形態では、モータ１６０が、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）に結合されている。幾つかの実施形態では、モータ１６０は、（例えば、ＨＰｏｕｔ流体１５０の圧力を上昇させるように、ＨＰｏｕｔ流体１５０の圧力を降下させるように）水圧エネルギー伝達システム１１０のロータの速度を制御する。幾つかの実施形態では、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０内での圧力交換に基づき、エネルギーを生成する（例：発電機として機能する）。
【0032】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、他の流体との仕事及び／又は圧力の交換中における、固体粒子含有流体（例：フラッキング流体）と様々な機器（例：水圧破砕機器、高圧ポンプ等）の間の接触を遮断又は制限できる、水圧保護システム（例：水圧緩衝システム、水圧分離システム等）であり得る。様々な機器（例：破砕機器）と固体粒子含有流体の間の接触を遮断又は制限することにより、水圧エネルギー伝達システム１１０は、様々な機器（例：破砕機器、高圧流体ポンプ等）の摩耗及び損耗を低減しつつ、それらの寿命及び性能を向上させる。研磨性流体（例：フラッキング流体及び／又は腐食性流体）用には設計されていない機器（例：高圧流体ポンプ）を使用することによって、より安価な機器を流体処理システム１００内で使用することができる。
【0033】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、回転式ＩＰＸ等の、水圧ターボチャージャー又は水圧式圧力交換システム等を含む。ＩＰＸは、第１の流体と第２の流体（例：気体、液体、多相流体）の体積間での圧力伝達及び圧力均一化を容易化するような、１つ以上の（例：１～１００の）チャンバを含み得る。
【0034】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、例えばフラッキングシステム、脱塩システム、冷凍システム等、様々な種類のシステムで用いられ得る。
【0035】
図１Ｂは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム１１０を含む流体処理システム１００Ｂの概略図を示している。流体処理システム１００Ｂは、フラッキングシステムであってよい。幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｂは、図１Ｂに示されているものに対して、より多くの構成要素、より少ない構成要素、同じ作業工程（ｒｏｕｔｉｎｇ）、異なる作業工程、及び／又はそれらに類するものを含む。
【0036】
ＬＰｉｎ流体１２０及びＨＰｏｕｔ流体１５０は、フラッキング流体（例：固体粒子含有流体、プロパント含有流体等）であってよい。ＨＰｉｎ流体１３０及びＬＰｏｕｔ流体１４０は、実質的に固体粒子非含有の流体（例：プロパント非含有流体、水、濾過された流体等）であり得る。
【0037】
ＬＰｉｎシステム１２２は、ＬＰｉｎ流体１２０を水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）に供給するような１つ以上の低圧流体ポンプを有し得る。ＨＰｉｎシステム１３２は、ＨＰｉｎ流体１３０を水圧エネルギー伝達システム１１０に供給するような１つ以上の高圧流体ポンプ１３４を含み得る。
【0038】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、ＬＰｉｎ流体１２０（例：低圧フラッキング流体）とＨＰｉｎ流体１３０（例：高圧水）の間で圧力を交換して、ＨＰｏｕｔ流体１５０（例：高圧フラッキング流体）をＨＰｏｕｔシステム１５２に供給し、かつＬＰｏｕｔ流体１４０（例：低圧水）を供給する。ＨＰｏｕｔシステム１５２は、クラック１５６を含む岩層１５４（例：坑井）を含み得る。ＨＰｏｕｔ流体１５０からの固体粒子（例：プロパント）が、岩層のクラック１５６の内部に供給され得る。
【0039】
幾つかの実施形態では、ＬＰｏｕｔ流体１４０、高圧流体ポンプ１３４、及び高圧ｉｎ流体１３０は、第１のループ（例：プロパント非含有流体のループ）の一部である。ＬＰｏｕｔ流体１４０は、高圧流体ポンプに供給され、水圧エネルギー伝達システム１１０を出る際にＬＰｏｕｔ流体１４０になるＨＰｉｎ流体１３０を生成することができる。
【0040】
幾つかの実施形態では、ＬＰｉｎ流体１２０、ＨＰｏｕｔ流体１５０、及び低圧流体ポンプ１２４は、第２のループ（例：プロパント含有流体のループ）の一部である。ＨＰｏｕｔ流体１５０は、岩層１５４に提供され、そして低圧流体ポンプ１２４によって岩層１５４から圧送され、ＬＰｉｎ流体１２０を生成することができる。
【0041】
幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｂは、岩層１５４における石油及びガスの放出を増加させるための水圧破砕（例：フラッキング（ｆｒａｃｋｉｎｇ）、フラッキング（ｆｒａｃｉｎｇ））を実施するため、石油及びガス産業における坑井完成作業において用いられる。ＨＰｏｕｔシステム１５２は、岩層１５４（例：坑井）を含み得る。水圧破砕は、水、化学物質、及び固体粒子（例：砂、セラミック、プロパント）の組み合わせを含むＨＰｏｕｔ流体１５０を、高圧で坑井（例：岩層１５４）内に圧送することを含み得る。ＬＰｉｎ流体１２０及びＨＰｏｕｔ流体１５０は、岩層１５４中のクラック１５６を伝播させること及びそのサイズを増大させることによって岩層１５４中の石油及びガスの放出を増加させる、粒子含有流体を含み得る。高圧ｏｕｔ流体１５０の高圧は、岩層１５４を貫くクラック１５６及び伝播を起こしかつそのサイズを増大させ、より多くの石油及びガスを放出させる。一方、その固体粒子（例：粉末、デブリ等）はクラック１５６に入り、クラック１５６を開いた状態に維持する（例：ＨＰｏｕｔ流体１５０が減圧されたときにクラック１５６が閉じてしまうことを防ぐ）。
【0042】
この粒子含有流体を岩層１５４（例：坑井）内に圧送するために、流体処理システム１００Ｂは、水圧エネルギー伝達システム１１０に結合された１つ以上の高圧流体ポンプ１３４及び１つ以上の低圧流体ポンプ１２４を含み得る。例えば、水圧エネルギー伝達システム１１０は、水圧ターボチャージャー又はＩＰＸ（例：回転式ＩＰＸ）であり得る。運転中には、水圧エネルギー伝達システム１１０は、高圧流体ポンプ１３４によって圧送された第１の流体（例：ＨＰｉｎ流体１３０、プロパント非含有流体等）と低圧流体ポンプ１２４によって圧送された第２の流体（例：ＬＰｉｎ流体１２０、プロパント含有流体、フラッキング流体等）の間で、実質的な混合なくして、圧力を伝達する。このようにして、水圧エネルギー伝達システム１１０は、高圧流体ポンプ１３４の摩耗を阻止又は制限する一方、流体処理システム１００Ｂが高圧フラッキング流体（例：ＨＰｏｕｔ流体１５０）を岩層１５４内へと圧送し、石油及びガスを放出させることを可能にする。腐食性又は研磨性の環境で動作させるためには、水圧エネルギー伝達システム１１０は、第１の流体又は第２の流体のいずれかに含まれる腐食性又は研磨性の物質に耐性のある材料から形成されるのがよい。例えば、水圧エネルギー伝達システム１１０は、金属マトリックス（例：Ｃｏ、Ｃｒ、又はＮｉ、又はそれらの組み合わせ）内でセラミック（例：アルミナや、炭化物、酸化物、窒化物、又はホウ化物の硬質相のサーメット等）から作製され得るのであって、例えば、ＣｏＣｒ、Ｎｉ、ＮｉＣｒ又はＣｏのマトリックス中のタングステンカーバイドであり得る。
【0043】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム１１０は、ＩＰＸ（例：回転式ＩＰＸ）を含み、かつＨＰｉｎ流体１３０（例：第１の流体、高圧の固体粒子非含有流体等）は、ＩＰＸの第１の側に入り、そこでＨＰｉｎ流体１３０は、ＩＰＸの第２の側に入るＬＰｉｎ流体１２０（例：第２の流体、低圧フラッキング流体）と接触する。それらの流体同士の接触によって、ＨＰｉｎ流体１３０は第２の流体（例：ＬＰｉｎ流体１２０）の圧力を上昇させることができ、これによって、第２の流体（例：ＨＰｏｕｔ流体１５０）はＩＰＸから排出され、そして破砕作業のために坑井（例：岩層１５４）を下降させられる。第１の流体（例：ＬＰｏｕｔ流体１４０）は、同様にＩＰＸを出るが、しかしながら第２の流体と圧力を交換した後なので、低圧である。上記したように、第２の流体は、研磨性粒子を含む場合がある低圧のフラッキング流体であり得るので、ロータが各エンドカバーに対して回転しているとき、第２の流体がロータと各エンドカバーの間の界面を摩耗させる可能性がある。
【0044】
流体処理システム１００Ｂ内の水圧エネルギー伝達システム１１０のＩＰＸは、ロータのロータポート同士の間に、かつ／又はエンドカバーのエンドカバーポート同士の間に、１つ以上のインサートを含む。幾つかの実施形態では、このインサートは浸食及び／又は摩耗に抵抗し得る。幾つかの実施形態では、このインサートは交換可能であり得る。このインサートは、固体粒子を含む流体（例：フラッキング流体、プロパント含有流体等）、腐食性流体、高圧流体、及び／又はそれらに類する流体からの摩耗及び／又は浸食を防止することができる。
【0045】
図１Ｃは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム１１０を含む流体処理システム１００Ｃの概略図を示している。流体処理システム１００Ｃは、（例えば、塩及び／又は他のミネラルを水から取り除く）脱塩システムであってよい。幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｃは、図１Ｃに示されているものに対して、より多くの構成要素、より少ない構成要素、同じ作業工程、異なる作業工程、及び／又はそれに類するものを含む。
【0046】
ＬＰｉｎシステム１２２は、ｉｎ海水１７０（例：リザバーから得たか又は海洋から直接得た供給水）を受け取り、かつＬＰｉｎ流体１２０（例：低圧の海水、供給水）を水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）に供給する、供給ポンプ１２６（例：低圧流体ポンプ１２４）を含み得る。ＨＰｉｎシステム１３２は、ＨＰｉｎ流体１３０（例：高圧ブライン）を水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）に供給するメンブレン１３６を備え得る。水圧エネルギー伝達システム１１０は、ＨＰｉｎ流体１３０とＬＰｉｎ流体１２０の間で圧力を交換して、ＨＰｏｕｔ流体１５０（例：高圧海水）をＨＰｏｕｔシステム１５２に供給し、かつＬＰｏｕｔ流体１４０（例：低圧ブライン）をＬＰｏｕｔシステム１４２（例：地質学的塊（ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｍａｓｓ）、海洋、海、廃棄部等）に供給する。
【0047】
メンブレン１３６は、逆浸透膜等、膜を通る流体を分離させるように構成された膜分離装置であり得る。メンブレン１３６は、濃縮供給水又は濃縮液（例：ブライン）であるＨＰｉｎ流体１３０を水圧エネルギー伝達システム１１０に供給することができる。ＨＰｉｎ流体１３０の圧力は、低圧供給水（例：ＬＰｉｎ流体１２０）を圧縮して高圧供給水（例：ＨＰｏｕｔ流体１５０）にするように用いられ得る。単純化及び説明の目的のため、供給水（ｆｅｅｄ ｗａｔｅｒ）という用語を用いている。しかしながら、水圧エネルギー伝達システム１１０において水以外の流体が使用されてもよい。
【0048】
循環ポンプ１５８（例：タービン）は、ＨＰｏｕｔ流体１５０（例：高圧海水）をメンブレン１３６に供給する。メンブレン１３６は、ＨＰｏｕｔ流体１５０を濾過して、ＬＰ飲料水１７２及び高圧ｉｎ流体１３０（例：高圧ブライン）を提供する。ＬＰｏｕｔシステム１４２は、ｏｕｔブライン１７４を（例：地質学的塊、海洋、海、棄部等に）供給する。
【0049】
幾つかの実施形態では、高圧流体ポンプ１７６が、供給ポンプ１２６とメンブレン１３６の間に配置されている。高圧流体ポンプ１７６は、低圧海水（例：高圧供給水を提供するＬＰｉｎ流体１２０）の圧力を上昇させ、循環ポンプ１５８によって供給された高圧海水と混合されるようにする。
【0050】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム１１０の使用により、高圧流体ポンプ１７６にかかる負荷が減少させられるのである。幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｃは、高圧流体ポンプ１７６を使用することなく、ＬＰ飲料水１７２を提供する。幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｃは、高圧流体ポンプ１７６を断続的に使用しつつ、ＬＰ飲料水１７２を提供する。
【0051】
幾つかの例では、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、ＬＰｉｎ流体１２０（例：低圧供給水）を約２０６８ｈＰａ（約３０ＰＳＩ（重量ポンド／平方インチ））で受け取り、かつＨＰｉｎ流体１３０（例：高圧のブライン又は濃縮液）を約６７５６８ｈＰａ（約９８０ＰＳＩ）で受け取る。水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、圧力を高圧濃縮液（例：ＨＰｉｎ流体１３０）から低圧供給水（例：ＬＰｉｎ流体１２０）に伝達する。水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、ＨＰｏｕｔ流体１５０（例：高圧（圧縮）供給水）を約６６５３４ｈＰａ（約９６５ＰＳＩ）で、かつＬＰｏｕｔ流体１４０（例：低圧濃縮液）を約１０３４ｈＰａ（約１５ＰＳＩ）で受け取る。このように、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、約９７％の効率であり得る。というのも、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）の入力体積は、出力体積とおおよそ等しく、かつ６６５３４ｈＰａ（約９６５ＰＳＩ）は６７５６８（約９８０ＳＰＩ）の約９７％であるからである。
【0052】
流体処理システム１００Ｃ内の水圧エネルギー伝達システム１１０のＩＰＸは、ロータのロータポート同士の間に、かつ／又はエンドカバーのエンドカバーポート同士の間に、１つ以上のインサートを含む。幾つかの実施形態では、このインサートは浸食及び／又は摩耗に抵抗し得る。幾つかの実施形態では、このインサートは交換可能であり得る。このインサートは、固体粒子を含む流体（例：ブライン、海水等）、腐食性流体、高圧流体、及び／又はそれらに類する流体からの摩耗及び／又は浸食を防止することができる。
【0053】
図１Ｄは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム１１０を含む流体処理システム１００Ｄの概略図を示している。流体処理システム１００Ｄは、冷凍システム（例：遷臨界二酸化炭素冷凍システム）であってよい。冷凍システムは、超臨界状態の流体を使用できる。例えば、第１の流体及び／又は第２の流体は、冷媒（例：二酸化炭素）を含み得る。幾つかの実施形態では、流体処理システム１００Ｄは、図１Ｄに示されているものに対して、より多くの構成要素、より少ない構成要素、同じ作業工程、異なる作業工程、及び／又はそれに類するものを含む。
【0054】
水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、ＬＰｉｎ流体１２０をＬＰｉｎシステム１２２（例：低圧リフト装置１２８、低圧流体ポンプ等）から受け取ることができ、かつＨＰｉｎ流体１３０をＨＰｉｎシステム１３２（例：凝縮器１３８）から受け取ることができる。水圧エネルギー伝達システム１１０（例：ＩＰＸ）は、ＬＰｉｎ流体１２０とＨＰｉｎ流体１３０の間で圧力を交換して、ＨＰｏｕｔ流体１５０をＨＰｏｕｔシステム１５２（例：高圧リフト装置１５９）に供給し、かつＬＰｏｕｔ流体１４０をＬＰｏｕｔシステム１４２（例：蒸発器１４４）に供給することができる。蒸発器１４４は、流体を圧縮機１７８及び低圧リフト装置１２８に供給することができる。凝縮器１３８は、流体を圧縮機１７８及び高圧リフト装置１５９から受け取ることができる。
【0055】
流体処理システム１００Ｄは、閉鎖系であり得る。ＬＰｉｎ流体１２０、ＨＰｉｎ流体１３０、ＬＰｏｕｔ流体１４０、及びＨＰｏｕｔ流体１５０は、すべて流体処理システム１００Ｄの閉鎖系内部で循環させられる流体（例：冷媒）であり得る。
【0056】
幾つかの実施形態では、図１Ａ－Ｅの１つ以上の流体は、多相流体であり得るのであって、例えば、気体／流体流、気体／固体粒子流、液体／固体粒子流、気体／液体／固体粒子流、又は任意の多相流であってよい。例えば、その多相流体は、非ニュートン流体（例：シアシニング流体）、高粘性流体、プロパントを含有する非ニュートン流体、又はプロパントを含有する高粘性流体、であってもよい。さらに、第１の流体は、約５０００ｋＰａ～２５０００ｋＰＡ、２００００ｋＰａ～５００００ｋＰａ、４００００ｋＰａ～７５０００ｋＰａ、７５０００ｋＰａ～１０００００ｋＰａの間であり、かつ／又は第２の流体の第２の圧力よりも大きい、圧力であってよい。水圧エネルギー伝達システム１１０は、第１の流体と第２の流体の間の圧力を完全に等しくする場合もあれば、完全には等しくしない場合もある。従って、水圧エネルギー伝達システム１１０は、等圧的に又は実質的に等圧的に動作し得る。
【0057】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、第１の流体と第２の流体の間で仕事及び／又は圧力を依然として交換しつつ、流体（例：フラッキング流体）と様々な機器（例：水圧破砕機器、高圧ポンプ、高圧流体ポンプ１３４等）の間の接触を遮断又は制限できるので、水圧エネルギー伝達システム１１０は、水圧保護システム、水圧緩衝システム、又は水圧分離システムとしても記述され得る。さらに、水圧エネルギー伝達システム１１０は、研磨性流体（例：フラッキング流体及び／又は腐食性流体等）用には構成されていない高圧ポンプを流体処理システムが用いることを可能にし得る。回転を容易化させるため、水圧エネルギー伝達システム１０２は、モータ１６０（例：アウトボードモータ（ｏｕｔ－ｂｏａｒｄ ｍｏｔｏｒ）システム）に結合してもよいし、又は水圧エネルギー伝達システム（例：インボードモータ（ｉｎ－ｂｏａｒｄ ｍｏｔｏｒ）システムであって、電気モータがロータの回転を駆動するように構成されている）のケーシング内にモータ１６０を含んでもよい。例えば、モータ１６０は、電気モータ、水圧モータ、空気圧モータ、他の回転駆動機、又はそれらの組み合わせ、を含み得る。運転中は、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０が、高粘性かつ／又は固体粒子、粉末、デブリ等を有する流体と共に回転することを可能にする。例えば、モータ１６０は、高粘性であるか又は粒子を含有する流体を用いつつ始動することができ、このことにより、水圧エネルギー伝達システム１１０の迅速な始動が可能になる。また、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０が粒子を粉砕し、高粘性／粒子含有流体を含む流体を用いつつ適切な動作速度（例：ｒｐｍ）を維持できるような、さらなる力を提供することもできる。さらに、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０の動作範囲を実質的に拡大し得る。例えば、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０の速度（例：回転速度）の制御及び第１の流体と第２の流体の間の混合の程度の制御を容易にし得るので、モータ１６０は、水圧エネルギー伝達システム１１０が、モータなしの「フリーホイーリング（ｆｒｅｅ－ｗｈｅｅｌｉｎｇ）」な水圧エネルギー伝達システムよりも低い又は高い流量のよい性能で動作することを可能にする。
【0058】
水圧エネルギー伝達システム１１０は、第１の圧力下の第１の流体を受け取るように構成された低圧ポートを含み得る。水圧エネルギー伝達システム１１０は、（例えば、低圧ポートの流路に）流体連通結合されたロータを、さらに含み得る。水圧エネルギー伝達システム１１０は、水圧エネルギー伝達システム１１０によって形成された中央ボアを通るよう経路設定されたシャフトを、さらに含み得る。このシャフトは、ロータに取り付けられ得る。
【0059】
幾つかの実施形態では、他の図に関連付けて論じられるように、第３の流体が、水圧エネルギー伝達システム１１０に対して流体を圧送するように用いられる場合がある。幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム１１０は、水圧エネルギー伝達システム１１０のロータへと経路設定され、回転を促進する第３の流体（例：第１の流体及び／又は第２の流体の一部分）によって駆動される場合があるのである。例えば、モータ１６０がない場合、水圧エネルギー伝達システム１１０を駆動することは（例：ロータの回転を始動させることは）困難であり得る。ダクト内に可動隔壁が存在すると、ＰＸ（例：ロータ）が回転していないときに流れがＰＸを通過することは阻止され得る。通過流がないと、摩擦力に打ち勝ち、ロータが回転するようにできるだけの水圧トルクがロータに付与されない場合がある（例：付与できない）。そのようなシナリオでは、ロータを始動させるために、モータ、油圧駆動機等が使用され得る。
【0060】
図２－６は、ある実施形態による、回転式ＰＸ４０（例：回転式圧力交換器、回転式液体ピストン圧縮機（ＬＰＣ）等）の分解斜視図である。回転式ＰＸ４０は、本開示の、混合が低減された圧力交換器（例えば、ロータによって形成されたダクト内にピストンを含む）であり得る。
【0061】
ある実施形態による、回転式ＰＸ４０は、第１の流体（例：プロパント非含有流体又は超臨界二酸化炭素、ＨＰｉｎ流体１３０）と第２の流体（例：フラッキング流体又は過熱気体二酸化炭素、ＬＰｉｎ流体１２０）の間で、最小限の流体混合でもって圧力及び／又は仕事を伝達するように構成されている。回転式ＰＸ４０は、スリーブ４４（例：ロータスリーブ）及びロータ４６を含む、一般的には筒状体である部分４２を含み得る。また、回転式ＰＸ４０は、それぞれのマニホールド５２及び５４を含む２つのエンドキャップ４８及び５０も含み得る。マニホールド５２は、それぞれ入口ポート５６及び出口ポート５８を含み、一方、マニホールド５４は、それぞれ入口ポート６０及び出口ポート６２を含む。運転中は、これらの入口ポート５６、６０は、第１の流体及び第２の流体が回転式ＰＸ４０に入って圧力を交換できるようにし、一方、出口ポート５８、６２は、その後で第１の流体及び第２の流体が回転式ＰＸ４０を出ることができるようにする。運転中、入口ポート５６は、高圧の第１の流体（例：ＨＰｉｎ流体１３０）を受け入れ得るのであって、圧力交換後には、出口ポート５８が、低圧の第１の流体（例：ＬＰｏｕｔ流体１４０）を回転式ＰＸ４０外へ向かわせるよう経路設定するように用いられ得る。同様にして、入口ポート６０は、低圧の第２の流体（例：ＬＰｉｎ流体１２０）を受け入れ、出口ポート６２は、高圧の第２の流体（例：ＨＰｏｕｔ流体１５０）を回転式ＰＸ４０外へ向かわせるよう経路設定するように用いられ得る。エンドキャップ４８及び５０は、それぞれのマニホールド５２及び５４内に配置された、ロータ４６と流体シールで接触することを可能にする、それぞれのエンドカバー６４及び６６（例：エンドプレート）を含む。
【0062】
ロータ４６は、筒状でありかつスリーブ４４内に配置され、ロータ４６が軸６８を中心に回転することを可能にし得る。ロータ４６は、複数のチャネル７０（例：ダクト、ロータダクト）を形成し得るのであって、それらのチャネル７０は、長手方向軸６８を中心に実質的に対称に配置された各端である開口７２と７４（例：ロータポート、ロータ開口）の間でロータ４６を貫く長手方向に実質的に延びている。ロータ４６の開口７２及び７４は、回転の間、チャネル７０が高圧の流体及び低圧の流体にさらされるようなやり方で、エンドカバー６４及び６６内の入口アパーチャ７６と出口アパーチャ７８（例：エンドカバー入口ポート及びエンドカバー出口ポート）の間の、及び入口アパーチャ８０と出口アパーチャ８２の間の、水圧的な連通のために配置されている。図示されているように、入口アパーチャ７６及び出口アパーチャ７８、ならびに８０及び８２は、円弧又は円のセグメント（例：Ｃ字形状）の形態で構成され得る。
【0063】
幾つかの実施形態では、センサフィードバック（例：タコメータ又は光学エンコーダを通じて計測された１分ごとの回転数、又は流量計を通じて計測された体積流量）を用いるコントローラは、回転式ＰＸ４０内での第１の流体と第２の流体の間の混合の程度を制御し、圧力交換システム（例：図１Ａ－Ｄの流体処理システム１００Ａ－Ｄ）の操作性を向上させるように用いられ得る。例えば、回転式ＰＸ４０に入る第１の流体及び第２の流体の体積流量を変化させることで、プラントのオペレータ（例：システムオペレータ）がＰＸ４０（例：回転式液体ピストン圧縮機１０）内での流体混合の量を制御することができる。さらに、ロータ４６の回転速度を変化させることもまた、オペレータが混合を制御することを可能にする。回転式ＰＸ４０内での混合は、ダクト内での１つ以上の流体の乱流、ダクト内での流体の移動の程度、濃度勾配による拡散、圧力均一化中に引き起こされる噴出、流体の慣性による圧力スパイク等による影響を受ける。ロータのチャネル７０は、一般的には長くかつ狭く、回転式ＰＸ４０内の流れを安定化させる。第１の流体及び第２の流体は、最小限の軸方向の混合でもって、栓流の枠組みでチャネル７０を通って移動し得る。ある実施形態では、ロータ４６の速度は、第１の流体と第２の流体の間の接触を減少させる。例えば、ロータ４６の速度（例：約１２００ｒｐｍであるロータ速度）は、第１の流体と第２の流体の間の接触時間を、約０．１５秒、０．１０秒、又は０．０５秒未満まで減少させ得る。第３に、第１の流体と第２の流体の間の圧力交換に用いられるのは、ロータのチャネル７０の小さな部分である。従って、流体の体積は、第１の流体と第２の流体の間の隔壁として、チャネル７０内に残る。これらすべての機構は、回転式ＰＸ４０内での混合を制限し得る。さらに、幾つかの実施形態では、回転式ＰＸ４０は、圧力の伝達を可能にしつつ第１の流体と第２の流体を分離する、完全又は部分的な内部ピストン又は他の隔壁と共に動作するように構成され得る。
【0064】
図３－６は、チャネル７０が完全なサイクルを通じて回転する際の、ロータ４６内の単一のロータのチャネル７０の位置のシークエンスを例示する、回転式ＰＸ４０の一実施形態の分解図である。図３－６は、回転式ＰＸ４０の単純化であって、１つのロータのチャネル７０を示しており、かつ、チャネル７０は、円形の断面形状を有するように示されていることには、留意されたい。他の実施形態では、回転式ＰＸ４０は、同一又は異なる断面形状（例：円形、楕円形、正方形、矩形、多角形等）を有する、複数のチャネル７０を含んでよい。即ち、図３－６は、説明のための単純化であり、回転式ＰＸ４０の他の実施形態は、図２－６に示されているのとは異なる構成を有する場合がある。以下で詳細に述べられるように、回転式ＰＸ４０は、第１の流体と第２の流体がロータ４６の内部で互いにわずかに接触できるようにすることにより、第１の流体と第２の流体の間での圧力交換を容易化する。ある実施形態では、この交換は、第１の流体と第２の流体の制限された混合をもたらすような速度で起きる。（チャネルがアパーチャ７６に対して露出してすぐの）ロータのチャネル７０を通過する圧力波の速度、流体の拡散の速度、及びロータ４６の回転速度によって、混合が発生するかどうか、及びどの程度起きるかは規定されている。
【0065】
図３は、ある実施形態による、回転式ＰＸ４０（例：回転式ＬＰＣ）の一実施形態の分解斜視図である。図３においては、チャネルの開口７２は、最初の位置にある。この最初の位置では、チャネルの開口７２は、エンドカバー６４のアパーチャ７８と、従ってマニホールド５２と、流体連通しており、一方、反対側のチャネルの開口７４は、エンドカバー６６のアパーチャ８２と、ひいてはマニホールド５４と、水圧的に連通している。以下で論じられるように、ロータ４６は、矢印８４で示される時計回りの方向に回転し得る。運転中、低圧の第２の流体８６は、エンドカバー６６を通過し、チャネル７０に入り、その中で第１の流体８８と動的流体界面９０で接触する。そして、第２の流体８６は、第１の流体８８をチャネル７０から追い出し、エンドカバー６４を通過させ、回転式ＰＸ４０から追い出す。しかしながら、接触の持続時間は短いので、第２の流体８６と第１の流体８８の間での混合は最小限である。
【0066】
図４は、ある実施形態による、回転式ＰＸ４０（例：回転式ＬＰＣ）の一実施形態の分解斜視図である。図４では、チャネル７０は、約９０度の円弧を通って時計回りに回転している。この位置では、開口７４（例：出口）はもはやエンドカバー６６のアパーチャ８０及び８２と流体連通してはおらず、開口７２はもはやエンドカバー６４のアパーチャ７６及び７８と流体連通してはいない。従って、低圧の第２の流体８６が一時的にチャネル７０内に収容されている。
【0067】
図５は、ある実施形態による、回転式ＰＸ４０（例：回転式ＬＰＣ）の一実施形態の分解斜視図である。図５では、チャネル７０は、図２に示された位置から約６０度の円弧を通って回転している。開口７４は、ここではエンドカバー６６のアパーチャ８０と流体連通しており、チャネル７０の開口７２は、ここではエンドカバー６４のアパーチャ７６と流体連通している。この位置では、高圧の第１の流体８８は低圧の第２の流体８６に入りかつそれを加圧し、第２の流体８６をロータのチャネル７０から追い出して、アパーチャ８０を通過させる。
【0068】
図６は、ある実施形態による、回転式圧力交換器又は回転式ＬＰＣの一実施形態の分解斜視図である。図６では、チャネル７０は、図２に示された位置から約２７０度の円弧を通って回転している。この位置では、開口７４はもはやエンドカバー６６のアパーチャ８０及び８２と流体連通してはおらず、開口７２はもはやエンドカバー６４のアパーチャ７６及び７８と流体連通してはいない。従って、第１の流体８８はもはや加圧されておらず、かつ一時的にチャネル７０内に収容されており、ロータ４６がさらに９０度回転すると、上記のサイクルが再び開始される。
【0069】
図７Ａ－Ｈは、ある実施形態による、圧力交換器に関連付けられた構成要素を示している。図７Ａは斜視図であり、図７Ｂは断面斜視図である。図７Ａ－Ｂに示されているように、水圧エネルギー伝達システム７００（例：図２－６のＰＸ４０）は、筒状体部を有するロータ７０２を含み得る。このロータは、中心軸（例えば、図２－６に関連して説明されているような）を中心に回転するように構成され得る。このロータは、１つ以上のダクト７０４（例：チャネル）を形成し、その際、各ダクト７０４は、ロータ７０２によって形成された対応する第１の開口（例：ロータ７０２の第１の側上の第１のダクト開口）から、ロータ２０７によって形成された対応する第２の開口（例：ロータ７０２の第２の側上の第２のダクト開口）までである。第１の側（例：第１の開口）は、第１の流体を受け入れるように構成され得るのであって、かつ第２の側（例：第２の開口）は、第２の流体を受け入れるように構成され得る。ダクト７０４は、この例示的な筒状の幾何学的形状に限定されるわけではない。幾つかの実施形態では、ダクトは、円形でない形状の、例えば三角形、矩形、他の多角形形状の開口と、対応する三次元的な構造のチャネルと、を形成する。幾つかの実施形態では、上記のダクトは、端から端まで等しい幅を有する一様なダクトである。幾つかの実施形態では、１つ以上のダクトは、他の部分よりも大きいか又は小さい幅を有する１つ以上の部分を有する場合もあり、それらは他の実施形態に関連して論じられる。
【0070】
図７Ｂに示されているように、対応するピストン７０６が、１つ以上のダクト７０４の中に配置されている場合がある。ピストン７０６は、ダクト内で摺動するように構成された、浮動ピストンであり得る。幾つかの実施形態では、ピストン７０６は第１の開口から第２の開口まで摺動し、他の実施形態では、ピストン７０６はダクト７０４の一部分内を摺動する場合もある（例えば、ダクト７０２が様々なサイズの部分を有する実施形態において）。ピストン７０６は、ＰＸの第１の側に配置された第１の流体とＰＸの第２の側上に配置された第２の流体の間の隔壁を提供する。
【0071】
運転中、圧力交換プロセスの最初の段階で、高圧の第１の流体がＰＸの第１の側に入り、ピストン７０６の一表面に対して力を及ぼす。第１の流体から力を受けるのに応答して、ピストン７０６は、ダクト７０４を通って軸方向に摺動し、ダクト内で第１の流体の反対の側に配置された低圧の第２の流体に対して力を及ぼす。低圧の第２の流体は、ピストン７０６を通じて第１の流体から伝達された圧力を受け、そして第２の流体は、ダクト７０４の第２の開口に入った際の低圧よりも大きな圧力で追い出される。圧力交換のプロセスの第２の段階では、第２の流体がダクト７０４の第２の開口に入り、そしてピストン７０６に対して力を及ぼす。ピストン７０６は摺動してダクトを軸方向に下り、低圧で流体を追い出す。ここで、ピストン７０６は、最初の段階からプロセスを続けるための位置にある。このプロセスは何度も繰り返され、第１の流体と第２の流体の間の流体接触を最小化しつつ、第１の流体と第２の流体の間の圧力を連続的に交換することができる。
【0072】
幾つかの実施形態では、ピストン７０６はダクト７０４内に流体シールを形成している。後の実施形態で論じられるように、ピストン７０６は、双方向シール等の接触シールを含んでもよい。幾つかの実施形態では、ピストン７０６は２つ以上の双方向シールを含み得る。それらのシールは、ダクト７０４内で１つ以上の流体シールを形成し、第１の流体と第２の流体の間の流体混合を低減することができる。
【0073】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム７００は、ダクト７０４内に配置されるか又はダクト開口に隣接して配置された、一対の束縛構造７０８を含み得る。この束縛構造７０８は、ピストン７０６に接触し、ピストン７０６が第１の開口及び／又は第２の開口でダクト７０４を出てしまうことを防止するように構成され得る。幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム７００は、第１の開口に近接して配置された第１のアダプタプレートを含み得る。第１のアダプタプレートは、ピストン７０６がダクト７０４を出てしまうことを第１の開口で防止できる。第１のアダプタプレートは、第１の流体を第１の開口に向かわせる第１のアパーチャを形成してもよい。水圧エネルギー伝達システム７００は、第２の開口に近接して配置された第２のアダプタプレートを含み得る。第２のアダプタプレートは、ピストン７０６がダクト７０４を出てしまうことを第２の開口で防止できる。第２のアダプタプレートは、第２の流体をダクト７０４の第２の開口に向かわせる第２のアパーチャを形成してもよい。
【0074】
第１のアパーチャは、第１のアパーチャ幅を有し得る。第１のダクト開口の第１の開口幅は、第１のアパーチャ幅よりも大きくてよい。浮動ピストンは、ダクト内に流体シールを形成する第１の部分を含み得る。上記第１の部分は、第１の開口幅に実質的に等しい第１の部分幅を有し得る。浮動ピストンは、第１の開口幅よりも小さい第２の部分幅を有する第２の部分をさらに含み得る。上記第２の部分は、第１のアパーチャに嵌合するように構成され得る。
【0075】
幾つかの実施形態では、ロータ７０２は、１つ以上のダクト７０４の内部にライナー構造又はコーティングを有し得る。このライナー構造又はコーティングは、浮動ピストンとの接触に貢献する（例：よい摩耗結合（ｗｅａｒ ｃｏｕｐｌｅ）を形成する）材料を含み得る（例：それから成り得る）。例えば、ライナー構造又はコーティングは、摺動ピストンに対して起こす摩擦がダクトの表面のみよりも小さい材料を含み得る。幾つかの実施形態では、ピストンとダクトの内側表面（例：ライナー）の間の摩擦の低減により、ピストンの流体シール能力が向上させされ得る。幾つかの実施形態では、このライナーは、ロータに結合された外側の束縛部（例：アダプタプレート）を介してダクト７０４内に保持されている。他の実施形態では、このライナーは、ダクト７０４の内側表面に（例えば、接着剤又はファスナ又はダクト内への焼嵌めを用いて）結合されている場合もある。
【0076】
各束縛構造７０８は、ロータ７０２によって形成されたダクト７０４内にプレス嵌めされているか、ロータ７０２によって形成されたダクト７０４内に焼嵌めされているか、又はロータ７０２によって形成されたダクト７０４内に（例えば、１つ以上の保持リング７１０同士の間や、保持リング７１０とロータのダクト側壁の間等に）拘束されている場合がある。幾つかの実施形態では、ライナーがダクト７０４内で用いられており、ロータ７０２の一端にある束縛構造７０８がライナーの一部であってもよい。
【0077】
幾つかの実施形態では、１つ以上の保持リング７１０（例：保持構造）が、各束縛構造７０８をロータ７０２のダクト７０４内で固定している。図７Ａ－Ｂに示されているように、保持リング７１０がダクト７０４の遠位端に近接して配置される場合があり、そしてその場合は束縛構造７０８は保持リング７１０とダクト７０４の中央部分の間に配置されている。
【0078】
図７Ｃ－Ｄは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム７００を示している。図７Ｃは斜視図であり、図７Ｄは断面図である。図７Ｃ－Ｄに示されているように、束縛構造７０８はプレス嵌めを介してダクト内に固定され得る。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８は、ピストンがダクト７０４を出ないように束縛する、プレス嵌めされたカーボンファイバースリーブである。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８は、ピストンの水圧ノーズ（ｎｏｓｅ）（例：突出部分、ノーズ表面）に係合する。幾つかの実施形態では、ロータ７０２は、束縛構造７０８の挿入のためのダクト端面取り部を有する。
【0079】
図７Ｅ－Ｆは、ある実施形態による水圧エネルギー伝達システム７００を示している。図７Ｅは斜視図であり、図７Ｆは断面図である。図７Ｅ－Ｆに示されているように、束縛構造７０８は、２つの保持リング７１０を介してダクト内に固定され得る。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８は、摺動嵌合式カーボンファイバースリーブである。保持リング７１０は、束縛構造７０８のスリーブの軸方向の運動を束縛するような、ロータ７０２によって形成されたダクト溝内のデュアル内部保持リングであり得る。保持リング７１０と束縛構造７０８のアセンブリは、ピストンがダクト７０４を出ないように束縛する。幾つかの実施形態では、ロータ７０２は、束縛構造７０８の挿入のためのダクト端面取り部を有する。
【0080】
図７Ｇ－Ｈは、ある実施形態による、水圧エネルギー伝達システム７００を示している。図７Ｇは斜視図であり、図７Ｈは断面図である。図７Ｇ－Ｈに示されているように、束縛構造７０８は保持リング７１０を介してダクト内に固定され得る。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８は摺動嵌合式カーボンファイバースリーブである。保持リング７１０（例：単一の内部保持リング）がロータ７０２によって形成されたダクト溝内に配置され、束縛構造７０８のスリーブの外向きの運動を束縛することができる。保持リング７１０と束縛構造７０８のアセンブリは、ピストンがダクト７０４を出ないように束縛する。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８はピストンの水圧ノーズ（例：突出部分、ノーズ表面）に係合する。幾つかの実施形態では、ロータ７０２は、束縛構造７０８の挿入のためのダクト端面取り部を有する。幾つかの実施形態では、束縛構造７０８は、保持リング７０１とロータ７０２のダクト側壁の間で保持される。
【0081】
図８Ａ－Ｊは、ある実施形態による、浮動ピストン８００Ａ－Ｊ（例：ピストン）の各種実施形態を示している。浮動ピストン８００は、軸方向に対称な（例：ダクト７０４の中心軸を中心として軸方向に対称な）構造を含み得る。このピストンは、球状（例：ピストン８００Ａ）又は円筒状（例：ピストン８００Ｂ）であってもよいし、又はダクトの幅に嵌合する１つ以上の形状（例：上記されたような、三角形状、矩形状、多角形状）を有する。
【0082】
幾つかの実施形態では、ピストンは、ダクトの開口又はその付近に配置された束縛部（アダプタプレート、束縛構造）に接触するための湾曲接触面（ノーズ、ノーズ表面、水圧ノーズ、突出部）を含む（例：ピストン８００Ａ、８００Ｃ、８００Ｄ、及び／又は８００Ｅ、８００Ｆ、８００Ｇ、８００Ｈ、８００Ｉ、８００Ｊ）。例えば、ピストン（例：８００Ｃ）は、筒状体部と、第１のアダプタプレートと係合する（例：接触アダプタプレートに接触し、アダプタプレートによって形成された開口内に入る）ように構成された筒状体部の第１の端部に配置された、第１の湾曲接触面（例：水圧ノーズ、ノーズ、ノーズ表面、ノーズ構造）と、第２のアダプタプレートと係合するように構成された筒状体部の第２の端部に配置された、第２の湾曲接触面と、を含み得る。
【0083】
さらなる実施形態では、ピストンは、筒状体部を有し、この筒状体部は、第１の幅（例：第１の体幅）を有する第１の部分と、第２の幅（例：第２の体幅）を有する第２の部分と、第１の部分と第２の部分の間に配置され、第１の部分の第１の幅及び第２の部分の第２の幅よりも小さい第３の幅（例：第３の体幅）を有する、第３の部分と、を含み得る（例：ピストン８００Ｄ、８００Ｅ、８００Ｆ、８００Ｉ、及び／又は８００Ｊ）。そのようなピストンは、ダクトの表面と接触するためのより大きな幅（例：第１のピストン幅）を有する部分を含み得る。例えば、１つ以上のより大きな幅の筒状の部分は、ダクト内を並進している際に第１の流体と第２の流体が混合してしまうことを防ぐような流体シールをダクト内に形成するように構成され得る。シール、リニア軸受、及び／又はガイドは、往復運動中にピストンのシール及びアライメントを強化するために、ピストンの異なる部分の間に形成された溝（例：ピストン８００Ｄ、８００Ｅ、８００Ｆ、８００Ｉ、及び／又は８００Ｊの溝を参照）に埋め込まれ得る。
【0084】
幾つかの実施形態では、上記されたように、ピストンは軸方向に対称な形状又は構造を備え得る。例えば、ピストンは、両方向に動作し得る。幾つかの実施形態では、１つ以上のピストン８００Ａ－Ｊは、第１の端部の第１の開口から第２の端部の第２の開口へと移動することができる場合がある。ロータの端から端まで移動することができるピストンの能力は、従来のシステムにおいてはみられない、ロータ、ダクト、及びピストンの寸法のより広範な実行可能性を提供することができることに、留意されたい。例えば、ピストンは軸方向の第１の寸法を備え得るのであって、かつロータは第１の寸法に限定されない軸方向の第２の寸法を備え得る。例えば、ピストンは、ダクトの第２の長さ寸法に対して最小限の軸方向長さであるという要件の範囲内で、第１の開口と第２の開口の間を完全に移動することができる。
【0085】
幾つかの実施形態では、１つ以上のピストン８００Ａ－Ｊは、ピストンと端にある束縛部（例：アダプタプレート）の間の接触を吸収することができる可撓性の材料から成る場合がある。幾つかの実施形態では、後述するように、ピストンはピストンとアダプタプレートとダクトの内側表面の間に流体シールを形成し得る。
【0086】
幾つかの実施形態では、ピストンは、筒状体部と、筒状体部の第１の端部に配置され、第１のアダプタプレートと係合するように構成された、第１の湾曲接触面と、筒状体部の第２の端部に配置され、第２のアダプタプレートと係合するように構成された、第２の湾曲接触面と、を含み得る。この筒状体部は、第３の幅（例：体幅）を有する第１の部分と、第３の幅（例：体幅）を有する第２の部分と、第１の部分と第２の部分の間に配置され、第３の幅よりも小さい第４の幅（例：体幅）とを有する第３の部分と、をさらに含み得る。
【0087】
図８Ｆ－Ｇは、圧力交換器のダクト内に配置されるように構成された、浮動ピストン８００Ｆ－Ｇの断面領域を示している。図８Ｆに示されているように、ピストン８００Ｆは、外部表面（例：ロータのダクト表面）と流体シールを形成することができる１つ以上のシール要素８０２（例：フェイスシール、Ｏリング、ラジアルシール等）を含み得る。例えば、第１の閾値（例：より硬質である、より可撓性がない、等）を満たすシール要素８０２Ａが、ダクト表面に接触するように外側に配置され、かつ第２の閾値（例：より軟質である、より可撓性がある、等）を満たすシール要素８０２Ｂが、シール要素８０２Ａとピストン８００Ｆの間に配置される、という場合がある。シール要素８０２Ａは、ロータのダクト表面に接触している際に摩耗に抵抗することができる。シール要素８０２Ｂは、シール要素８０２Ａが摩耗したときには、ダクトの側壁により近い場所へとシール要素８０２Ａを押し出すことができる。ピストン８００Ｆは、１つのシール要素８０２Ａがダクト側壁に接触して描かれているものの、複数のシール要素が用いられてもよいことには、留意されたい。例えば、１つ以上の一方向シール及び／又は双方向シールが、ピストン８００Ｆに組み込まれるか、又はそれに結合され得る。シール機能を損なうことなく摩耗を補償するために、シールが、Ｏリング（図８Ｆに示されているような）又は片持ちばね（図８Ｇに示されているような）又は他の手段を用いて付勢される場合もある。
【0088】
図８Ｆ及び８Ｇに示されているように、ピストン８００Ｆ－Ｇは、ピストンがダクトの端部に接近し、端にある束縛部（例：束縛構造、アダプタプレート）と係合するときに流体ポケットを形成するように構成された突出部を、各端に備える場合がある。他の実施形態でさらに述べられるように、突出部の位置及び／又は寸法は、ピストンが端にある束縛部に接近した際にピストンに及ぼされる制動力に影響し得る。ピストンは、ピストンがロータの端に接近するときに逆方向にはたらく制動力を起こす突出部を、ピストンの軸方向の両方の側に含み得る。
【0089】
図８Ｈは、各端に突出部（例：ノーズ、水圧ノーズ等）を有し、かつ溝を形成しない、ピストン８００Ｈを示している。図８Ｉ－Ｊは、各端に突出部（例：ノーズ、水圧ノーズ等）を有し、かつ１つ以上のシール要素８０２を受け入れる溝を形成した、ピストン８００Ｉ－Ｊを示している。
【0090】
図９Ａ－Ｂは、ある実施形態による、可動隔壁を有する圧力交換器９００Ａの一実施形態を示している。圧力交換器９００Ａは、第１の開口及び第２の開口を有する細長チャネルを有するダクト９１２を形成し得る。図９Ａに示されているように、ダクト９１２は、第１の幅（例：第１の部分幅）を有する第１の部分と、第１の幅よりも小さい第２の幅（例：第２の部分幅）を有する第２の部分と、を備え得る。圧力交換器９００Ａは、可動隔壁９０２であって、ピストンスカート９０４と、ピストンヘッド９０６と、ローリングダイヤフラム９１１と、を備える可動隔壁９０２（例：弾性の可動隔壁）を備え得る。
【0091】
図９Ａに示されているように、ローリングダイヤフラム９１１は、ピストンスカート９０４とピストンヘッド９０６の間に配置されている（例：それらの間に挟まれている）。幾つかの実施形態では、ピストンスカート９０４及びピストンヘッドは、アルミニウム等の合金を含み得る（例：それから成る場合がある）。また、ローリングダイヤフラム９１１は、固定要素９０８（例：ファスナ）を介して圧力交換器９００Ａに結合され得る。図９Ｂに示されているように、ローリングダイヤフラム９１１は、エラストマ９１６Ａ及び９１６Ｂにコーティングされた繊維９１８を備え得る。このエラストマは、伸びて伸長位置に至り、かつ縮んで非伸長位置に至るように構成され得る。
【0092】
運転中、第１の流体は可動隔壁９０２に力を及ぼし、ピストンスカート９０４はローリングダイヤフラム９１１に沿って摺動し、そしてピストンヘッド９０６はダクト９１２内で軸方向に摺動する。ピストンスカート９０４は、ダクト９１２の内部かつ第１の流体の反対の側の内部に配置された第２の流体に接触する。例えば、第２の流体は、より小さな幅（例：より小さな部分幅）を有するダクトの部分内に配置され得る。
【0093】
図９Ａに示されているように、圧力交換器９００Ａは、ピストンスカート９０４に対するよう構成された保持リングを含み得る。例えば、この保持リングは、ピストンスカート９０４がダクト９１２の外側へと並進してしまうことを防止する隔壁として機能し得る。隔壁リング９１０は、流体をダクト９１２内に向かわせるように構成されたアパーチャを含み得る。
【0094】
図１０は、ある実施形態による、ＰＸ１０００（又は、ＬＰＣ）のダクト内に配置された往復デュアルピストン構造を示している。ＰＸ１０００は、第１の流体と第２の流体の間で圧力を交換するように構成され得る。ＰＸ１０００は、ロータ内に形成されたダクト１０００Ａ－Ｃを含み得る。このロータ及びエンドカバーのアセンブリは、第１の流体をダクトの開口（例：１０１０Ａ）に向かわせ、かつ第２の流体をダクトの第２の開口（例：１０１０Ｂ）に向かわせるように構成され得る。ＰＸ１０００は、ダクト内に配置された第１のピストン（例：１００６Ａ）及びダクト内に配置された第２のピストン（例：１００６Ｂ）を備え得る。第１のピストンはダクト内で第１の流体シールを形成し、かつ第２のピストンはダクト内で第２の流体シールを形成し得る。また、ＰＸ１０００は、ダクト内でピストン１０００Ａ－Ｂの間に配置されたロッドを備え得る。このロッドは、ピストン１００６Ａ－Ｂの間で軸方向に往復運動し、第１の流体と第２の流体の間で圧力を伝達するように構成され得る。
【0095】
運転中、第１の流体は第１の開口１０１０Ａでダクトに入り、第１のピストン１００６に力を及ぼす。ロッド１００８は、第２のピストン１００６Ｂに方向が交替する力を及ぼし、デュアルピストンアセンブリ（例：ピストン１００６Ａとピストン１００６Ｂとロッド１００８の組み合わせ）がダクト内で一緒に並進する。第２のピストン１００６Ｂの運動は、第２の流体を第２の開口１０１０Ｂを通じて追い出す。
【0096】
幾つかの実施形態では、ダクトは第１の開口に近接した第１の部分１００４Ａを含む場合があり、この第１の部分は第１の幅を有し得る。第１のピストン１００６が、この第１の部分１００４Ａ内に配置され得る。ダクトは、第２の開口に近接した第２の部分１００４Ｂを含み得る。この第２の部分は、第２の幅を備え得る。第２のピストンが、第２の部分内に配置され得る。幾つかの実施形態では、第１の部分１００４Ａの幅と第２の部分１００４Ｂの幅は等しい（又は実質的に等しい）。幾つかの実施形態では、第３の部分の幅は、第１の部分１００４Ａの幅及び第２の部分１００４Ｂの幅よりも小さい。幾つかの実施形態では、ダクトは各種径を有する３つより多くの部分を備え得る。
【0097】
幾つかの実施形態では、圧力交換器（ＰＸ）１０００は、ダクトの第３の部分１００４Ｃに流体連通結合された流体チャネルを備える。この流体チャネルは、第３の流体をダクトの第３の部分１００４Ｃに向かわせ得る。この第３の流体は、第１のピストン１００６Ａと第２のピストン１００６Ｂとロッド１００８とダクトによって形成された表面の間に配置され得る。ＰＸ１０００は、該流体チャネルに結合された供給バルブを含み得る。この供給バルブは、ダクトの第３の部分に出入りする第３の流体の流れを制御し、かつ第３の流体をダクトの第３の部分１００４Ｃ内で選択的にシールし得る。この第３の流体は、第１のピストン１００６Ａと第１の開口１０１０Ａの間にある第１の流体と第２のピストン１００６Ｂと第２の開口１０１０Ｂの間にある第２の流体の混合を防止する隔壁流体として機能する。このデュアルピストンアセンブリ及び中央束縛部の構成はまた、ピストンの水圧制動が、ダクト内でのピストン１００６Ａ又はピストン１００６Ｂの激しい衝突を防止することを可能にもする。例えば、このデュアルピストンアセンブリがダクト内で並進し、第３の部分１００４Ｃに近づいたとき、ロッド１００８とダクトの第３の部分１００４Ｃの間のクリアランスが「小さい」ことを考慮すれば、流体ポケットは、ピストンとダクトの第３の部分１００４Ｃの間でトラップされる。これにより、該ポケット内の急激な圧力上昇がもたらされ、抵抗力が及ぼされてピストンが減速させられる。幾つかの実施形態では、この制動力は双方向に及ぼされ得る。図１０におけるダクトの第３の部分１００４Ｃは、ダクトの軸方向中心に配置されているように描かれているものの、幾つかの実施形態では、より小さな幅を有するダクトの部分が中心から離れて配置される場合があることには、留意されたい。
【0098】
幾つかの実施形態では、運転中、ＰＸ１０００は、第１のピストン１００６Ａと第２のピストン１００６Ｂとダクト表面の間にシールされた流体ポケットを形成し得る。第１のピストンが第３の部分１００４Ｃに近づいたとき、又は第２のピストン１００６Ｂが第３の部分１００４Ｃに近づいたときの少なくとも一方において、第１のピストン１００６Ａに制動力が及ぼされ得る。幾つかの実施形態では、シールされた流体ポケット内の圧力は、浮動ピストンのピストン速度に比例して上昇し、浮動ピストンがダクト内で軸方向に運動する際に制動力が浮動ピストンに及ぼされるようにするように構成される。
【0099】
図１０に示されているように、ＰＸ１０００はロータ１００２を含み得る。このロータは、ＰＸ１０００の中心軸を中心として回転するように構成され得る。ＰＸ１０００は、ロータに結合されたモータアセンブリをさらに含み得る。このモータアセンブリは、ロータの回転を駆動し得る。他の実施形態でさらに論じられるように、ロータ１００２は、筒状構造を備え得るのであって、この筒状構造は、該筒状構造の円周上に配置された一連のベーンを形成する。
【0100】
図１１Ａ－Ｂは、幾つかの実施形態による、水圧制動装置１１００Ｂを含む圧力交換器（ＰＸ）１１００Ａ（又はＬＰＣ）を示している。ＰＸ１１００Ａは、スリーブ１１０６内に配置されたダクト１１１４を有するロータ１１０４を含み得る。このロータは、第１のアダプタプレート１１１０Ａ及び第２のアダプタプレート１１１０Ｂによって取り囲まれ得る。ロータ１１０４は、圧力交換器１１００Ａの中心軸を中心に回転し得る。幾つかの実施形態では、ＰＸ１１００Ａはロータ内に配置された束縛部（例：図９Ａの隔壁リング９１０。あるいはこの束縛部が保持リングを備えてもよい）を含み得る。ピストンは、ダクト１１１４内で軸方向に並進するように構成され得るのであって、かつ１つ以上の束縛部（例：アダプタプレート１１１０Ａ－Ｂ）によってダクト内に維持され得る。
【0101】
図１１Ａ－Ｂに示されているように、アダプタプレート１１１０Ａ－Ｂは、ピストン１１０２と係合するように構成されたアパーチャ１１１２Ａ－Ｂを含んでいる。ピストン１１０２は、ダクト１１１４の表面と流体シールを形成し得る。ピストンは、筒状体部であって、流体シールと、アパーチャ１１１２Ａと係合するように構成されたノーズと、を形成するように構成された筒状体部を含み得る。該ノーズは、筒状体部が有するよりも小さい１つ以上の幅を備え得る。
【0102】
幾つかの実施形態では、ピストン１１０２のノーズは、ノーズ幅「Ａ」（例：ノーズ径）、ノーズ長さ「Ｂ」、及びノーズクリアランス「Ｃ」を有し得る。Ａ、Ｂ、Ｃの様々な組み合わせが、圧力交換に用いられる種の流体の様々な基準に対して利用され得る。例えば、入ってくる流体の流量、速度、密度、構成（例：プロパント含有、又はプロパント非含有）、圧力等が、ノーズの幾何学的構造及びクリアランスの選択を動かし得る。各寸法Ａ、Ｂ、Ｃは、ピストンがアパーチャ１１１２に接近する際にピストンに及ぼされる制動力を変化させるように調節され得る。
【0103】
幾つかの実施形態では、水圧制動装置１１００Ｂは、ピストンがロータの両方の端に到着した際には、ダクト１１１４の両方の端に収容され、かつピストン１１０２の双方向の制動を実施することができる。幾つかの実施形態では、ピストン１１０２がアダプタプレート（例：アダプタプレート１１１０Ａ）に接近したとき、ピストンはピストン１１０２とアダプタプレート１１１０Ａとダクト１１１４の表面の間に流体ポケットを形成する。ピストンがアダプタプレートに接近するにつれて流体ポケットの体積は減少し、流体ポケットの圧力は上昇させられる。上昇させられた圧力は、ピストン１１０２の運動に抗する力（例：制動力又は反力）を及ぼし、ピストンを減速させるか又は制動する。幾つかの例において、ピストンが大きな速度でアダプタプレートに接触した場合には一部分に対する損傷及び／又は摩耗が発生する場合があることには、留意されたい。この制動装置はピストン１１０２を減速させ、損傷をもたらし得るピストン１１０２とアダプタプレート１１１０の衝突を防止するのである。
【0104】
幾つかの実施形態では、ＰＸ１１００Ａは、ダクトに流体連通結合された流体チャネル１１０８Ａ－Ｂを含み得る。流体チャネルは、ピストン１１０２がアダプタプレート１１１０Ａ－Ｂに接近する際に形成される流体ポケットの体積増加をもたらす場合もある。この流体チャネルは、ダクトから出ていく流体流を制御することができ、その結果として、ポケットの圧力を制御することができる。この制御された圧力は、ピストンがアダプタプレート１１１０Ａ－Ｂに接近する際、ピストン１１０２に及ぼされる制動力の大きさを制御することを可能にし得る。
【0105】
幾つかの実施形態では、ピストン１１０２は、形成されたポケットがダクト内に残存する流体から水圧的にシールされるように、アダプタプレートと共に流体シールを形成する。もっとも、他の実施形態では、ピストンとアダプタプレート１１１０のアパーチャ１１１２の間には、ギャップ又はノーズクリアランス「Ｃ」が存在する。このクリアランスの寸法は、ピストン１１０２とダクト１１１４の表面とアダプタプレート１１１０の間に限定された流体ポケットから外に出ようとする流体流の流量を制御し、かつそれに作用し得る。流体ポケットから出ようとする流体流のこの流量は、ピストンがアダプタプレート１１１０に接近する際にピストンに及ぼされる制動力及びピストン１１０２の全体的な減速に影響し得る。
【0106】
図１２Ａ－Ｂは、ある実施形態による、水圧ベーン１２０６（例：ベーン、突出部等）を含むＰＸ１２００Ａ－Ｂ（又は、ＬＰＣ）の一実施形態の斜視図である。図１２Ａに示されているように、ＰＸ１２００Ａは１つ以上のダクト１２０４を形成するロータ１２０２を含む。このＰＸは、ロータ１２０２の端に結合されたエンドプレート１２０８Ａ－Ｂを備え得る。幾つかの実施形態では、エンドプレート１２０８Ａ－Ｂ（例：図１１Ａ及び／又は１１Ｂのアダプタプレート１１１０）は、固定要素１２１０（例：ファスナ、接着剤等）を介して、ロータ１２０２の端に固定されている。しかしながら、他の実施形態では、エンドプレート１２０８Ａ－Ｂは、摩擦嵌めによってロータに結合されている。幾つかの実施形態では、ダクト内に浮動ピストンを有する圧力交換器１２００は、圧力交換器１２００を始動させる（例：圧力交換器のロータの回転を始動させるか又は強める）ために受動的な機構を用いる場合がある。ロータ１２０２が回転していないことに応答して、１つ以上のバルブ（例：チャッキバルブ）が、流体流を水圧駆動部（例：水圧ベーン１２０６）へと供給し（例：ＬＰｉｎ流体の流れを転換し）、ロータ１２０２が回転するようにできる。ロータが回転し始め、圧力が高められたとき、その１つ以上のバルブ（例：チャッキバルブ）は、水圧駆動部（例：水圧ベーン）に向かう流体流を阻止する（例：自動的に流れを遮断する）ことができ、そしてロータ１２０２は、段差路（例：水圧ベーン１２０６）によって形成された水圧トルクから回転を続ける。
【0107】
ロータの第１の端は、第１の流体を受け入れることができ、かつロータの第２の端は第２の流体を受け入れることができる。隔壁をロータ１２０２のダクト１２０４内に配置し、第１の流体と第２の流体の間で圧力が交換される際の混合を防止することができる。
【0108】
幾つかの実施形態では、ダクト１２０４内に配置された隔壁（例：ピストン）の存在により、ロータ１２０２の回転を開始させて圧力交換プロセスを始動させることに困難が生じる場合がある。幾つかの実施形態では、上記されたように、モータを中央ボア１２１２内のカップリングを介してロータ１２０２に結合し、ロータ１２０２の回転を駆動することができる。もっとも、他の実施形態（例：モータを用いないような実施形態）では、該ロータはロータ１２０２の円周に沿って配置された一連の水圧ベーン１２０６を備える場合もある。水圧ベーン１２０６は、流体を受け入れ、かつ流体を受け入れることに応答してロータ１２０２を回転させるようになっている。幾つかの実施形態では、水圧ベーン１２０６は、ロータ１２０２の傾斜した突出部である。各水圧ベーン１２０６は、傾斜した上表面及び側表面を有し得る。水圧ベーン１２０６に供給された流体は、水圧ベーン１２０６の側表面に接触してロータ１２０２の回転を引き起こすことができる。
【0109】
図１２Ａに示されているように、水圧ベーン１２０６は、ロータ１２０２の円周に沿って配置され得る。水圧ベーン１２０６は、軸方向長さの一部を有し得る。幾つかの実施形態では、水圧ベーン１２０６がロータ１２０２の軸方向長さ全体を有する場合もある。該ベーンは、加圧された流体（例：第１の流体及び／又は第２の流体の一部を含み得る第３の流体）を受け入れるような接触面を備える。このベーンに及ぼされる力は、ロータ１２０２に及ぼされる回転力をもたらす。ロータ１２０２が回転しているとき、連続的なベーンは入ってくる流体からの撃力を受け、ＰＸ１２００Ａ内のロータ１２０２にかかるトルクは上昇させられる。
【0110】
図１２Ｂに示されているように、このロータはスリーブ１２１６内で回転する。ＰＸ１２００Ｂは、ノズル１２１４であって、入ってくる流体を加速させ、かつそのジェット流をベーンに向かわせてロータの回転を駆動する、ノズル１２１４を備え得る。生み出されるトルク及びロータの回転速度は、上流のバルブによるノズルを通じた流量の制御によって調節され得る。ロータが回転を開始すると、ダクト１２０４内に配置された可動隔壁が往復を開始し、（圧力を交換する）第１の流体及び第２の流体の流量は増加させられる。第１の流体及び第２の流体をロータに向かわせるエンドカバーが、流体がロータのダクトに入ったときに（ロータにトルクを生み出すために）好適な段差路を有している場合、もはやノズル流がロータを回転させ続ける必要がない場合がある。それゆえ、ノズル及び水圧ベーンへの流れは停止されてよい。幾つかの実施形態では、ロータが所望の速度を達成すると、ノズルは閉じてよいのであり、かつロータは回転駆動流体の存在なくして速度を維持することができるのである。
【0111】
図１３は、ある実施形態による、混合が低減された圧力交換器１３０８を用いた流体処理システム１３００（例：逆浸透脱塩システム）の概略図を示している。流体処理システム１３００は、供給水を流体処理システム１３００内に圧送するための供給ポンプ１３１４（例：低圧ポンプ）をさらに含む。高圧ポンプ１３０２は、高圧の供給水を、流体をメンブレン１３０６（例：逆浸透膜）に通して分離させる（例：脱塩させる）ように構成された膜分離装置に供給する。濃縮された供給水又はメンブレン１３０６（例：膜分離装置）からの濃縮液は、圧力交換器１３０８に供給され得る。濃縮液の一例は、ブラインである。濃縮液の圧力は、圧力交換器１３０８内で、低圧の供給水を圧縮して高圧の供給水にするように用いられ得る。単純化及び説明の目的のため、この詳細な説明においては供給水という用語を用いている。しかしながら、圧力交換器１３０８において水以外の流体が使用されてもよい。
【0112】
供給ポンプ１３１４は、供給水をリザバーから受け取るか、又は海洋から直接受け取り、かつ低圧であるその供給水を流体処理システム１３００に圧送することができる。低圧の供給水は、マニホールド１３１６を介して高圧ポンプ１３０２に、かつマニホールド１３１８を介して圧力交換器１３０８に、供給され得る。高圧の供給水は、マニホールド１３２０を介してメンブレン１３０６（例：膜分離装置）に供給され得る。このメンブレンは、淡水を分離してマニホールド１３２２へと低圧で出力し得る。
【0113】
メンブレン１３０６（例：膜分離装置）からの濃縮液は、マニホールド１３２４を介して圧力交換器１３０８に供給され得る。圧力交換器１３０８は、マニホールド１３２４からの高圧の濃縮液を用いて、マニホールド１３１８からの低圧の供給水を圧縮する（又はそれと圧力を交換する）ことができる。圧縮された供給水が、マニホールド１３２６を介してメンブレン１３０６（例：膜分離装置）に供給される場合がある。ここで、マニホールド１３２６は、マニホールド１３２０に結合されている。圧力交換器１３０８は、マニホールド１３２８を介して低圧の濃縮液を出力し得る。即ち、供給水に圧力を与えた濃縮液は、圧力交換器１３０８からマニホールド１３２８へと低圧で出力され得る。マニホールド１３２８内の低圧の濃縮液は廃棄され得るのであって、例えば海に放出されて海に戻され得る。幾つかの実施形態では、高圧の供給水は、マニホールド１３２０内の高圧の供給水よりもわずかに低い圧力で圧力交換器１３０８からマニホールド１３２６に出力される。オプションである循環ポンプ１３０４が、マニホールド１３２６内の供給水とマニホールド１３２０内の供給水の間の圧力の小さな差異を補償できる。幾つかの実施形態では、循環ポンプ１３０４は、ターボ形ポンプ（例：遠心ポンプ）である。表１は、脱塩システム（例：図１３に示された脱塩システム、図１Ｃに示された脱塩システム等）における典型的な複数の圧力の一例を提供する。
【0114】
【表1】
【0115】
表１に示された例では、圧力交換器１３０８は、約２０６８ｈＰａ（約３０ＰＳＩ）の低圧の供給水を受け取り、かつ約６７５６８ｈＰａ（約９８０ＰＳＩ）の高圧のブライン又は濃縮液を受け取る。圧力交換器１３０８は、高圧の濃縮液から低圧の供給水に圧力を伝達する。圧力交換器１３０８は、約６６５３４ｈＰａ（約９６５ＰＳＩ）の高圧の（圧縮された）供給水及び約１０３４ｈＰａ（約１５ＰＳＩ）の低圧の濃縮液を出力する。即ち、表１の圧力交換器１３０８は、約９７％の高い圧力交換効率を達成し得る。
【0116】
図１３に示されているように、流体処理システム１３００（例：脱塩システム）は、マニホールド１３１８から圧力交換器へのさらなる流路を含む場合がある。低圧の供給水がチャッキバルブ１３１０に向けられ得るのである。幾つかの実施形態では、このチャッキバルブ１３１０は、ばね搭載バルブ、ボールチャッキバルブ、デュアルプレートバルブ、ディスクバルブ、又は同等の目的を満足する他のチャッキバルブ、のうち１つ以上である。低圧の供給水は、チャッキバルブ１３１０を通じて圧力交換器１３０８に入ることができる。運転中、チャッキバルブ１３１０は、一方向のみの－マニホールド１３１８から圧力交換器１３０８への－流れを許容する。チャッキバルブ１３１０からの低圧の供給水は、圧力交換器１３０８のロータに接触し、圧力交換器１３０８の回転運動を引き起こすことができる。例えば、圧力交換器は、低圧の供給水からの撃力を受け、圧力交換器１３０８の回転運動を引き起こすように構成された接触ポイント（例：図１２Ａ－Ｂの水圧ベーン１２０６）を有し得る。幾つかの実施形態では、低圧の供給水からの撃力は、圧力交換器１３０８の回転を開始及び／又は維持するようになっている。幾つかの実施形態では、チャッキバルブ１３１０は、通常は閉鎖されており、チャッキバルブ１３１０を挟んだ差圧が閾値条件を超えたときに開放される。
【0117】
図１３に示されているように、流体処理システム１３００（例：脱塩システム）は、チャッキバルブ１３１２を含む、圧力交換器１３０８からの出力流路を備え得る。幾つかの実施形態では、チャッキバルブ１３１２は、ばね搭載バルブ、ボールチャッキバルブ、デュアルプレートバルブ、ディスクバルブ、又は同等の目的を満足する他のチャッキバルブ、のうち１つ以上である。低圧の供給水は、チャッキバルブ１３１２を通じて圧力交換器１３０８からマニホールド１３２８に入ることができる。運転中、チャッキバルブ１３１２は、一方向のみの－圧力交換器１３０８からマニホールド１３２８への－流れを許容する。幾つかの実施形態では、チャッキバルブ１３１２は、通常開いており、チャッキバルブ１３１２を挟んだ差圧が閾値条件を超えたときに閉鎖される。
【0118】
幾つかの実施形態では、流体処理システム１３００の動作は、以下の動作ステップを含み得る。供給ポンプ１３１４が始動され、供給水の圧送を開始し得る。供給ポンプの始動に応答して、圧力交換器１３０８内に配置された浮動ピストンが右端まで動き、供給ポンプの流れを遮断する。この動作は、（差圧が閾値を超えたことに際して）第１のばね搭載チャッキバルブ１３１０が開放されること、及び低圧の入力流体（ＬＰｉｎ）が圧力交換器１３０８の水圧駆動部に向けて転換されること、をさらに含む。チャッキバルブ１３１０が開放されること及び流体（ロータのベーンに衝突するノズルからのジェット流）が水圧駆動部に入ることに応答して、ロータは回転を開始するのである。この動作は、第２のばね搭載チャッキバルブ１３１２が開放される（例えば、通常は開いている）こと、ＬＰｉｎ流を集めること、及びＬＰｉｎ流がＰＸ１３０８からの低圧の出力流路（ＬＰｏｕｔ）に向けて転換されること、をさらに含む。ロータが特定の速度を達成したとき、循環ポンプは始動され、かつピストンは圧力交換器１３０８内で往復運動を開始する。流れが圧力交換器１３０８のロータのダクトを通過し始めると、チャッキバルブ１３１０、１３１２は（例えば、自動的に）閉じ、水圧駆動部は機能を停止する。ロータの速度は、ＰＸに流れを供給する段差路によって起こされた水圧トルクによって維持される。高圧ポンプが始動されると、透過液の生産が開始される（例えば、定常状態の動作）。
【0119】
図１４Ａ－Ｃは、ある実施形態による、流体処理システム１４００Ａ－Ｃ（例えば、図１Ａ－Ｄ及び／又は図１３のうち１つ以上の）を示している。図１Ａ－Ｄ、１３、及び／又は１４Ａ－Ｃのうち１つ以上は、図１Ａ－Ｄ、１３、及び／又は１４Ａ－Ｃのうち１つ以上に記載の１つ以上の特徴、構成要素、機能等を有し得る。例えば、図１Ａ－Ｄ及び／又は図１３のうち１つ以上は、図１４Ａ－Ｃのうち１つ以上のコントローラ１４１０を有してもよい。
【0120】
各流体処理システム１４００Ａ－Ｃは、本明細書に記載の、混合が低減された（例えば、ピストンを備える）水圧エネルギー伝達システム１１０を備えている。各流体処理システム１４００Ａ－Ｃは、コントローラ１４１０（例：図１５のコンピュータシステム１５００）を備え得る。各流体処理システム１４００Ａ－Ｃは、１つ以上の高圧流体ポンプ１３４及び１つ以上の低圧流体ポンプ１２４を備え得る。ＨＰｉｎ流体１３０及びＬＰｉｎ流体１２０は、水圧エネルギー伝達システム１１０（例：圧力交換器）に入り、圧力が伝達され、ＨＰｉｎ流体１３０はＬＰｏｕｔ流体１４０として出ていき、かつＬＰｉｎ流体１２０はＨＰｏｕｔ流体１５０として出ていく。
【0121】
幾つかの実施形態では、水圧エネルギー伝達システム１１０内の（例：圧力交換器のロータのダクト内の）ピストンは、流体処理システム１４００内に（例：圧力交換器内に）バランス流を供給する。高圧の圧送と低圧の圧送又は低い速度（例：１分当たりの回転数（ＲＰＭ））のミスマッチによって、ピストンを挟んだ圧力の上昇が引き起こされる。ピストンを挟んだ差圧（ＤＰ）は、ロータと接触している水圧ブレーキを介して伝達され、かつ軸受のアキシアル荷重に寄与する。スラスト荷重が軸受のキャパシティを超えた場合、過剰なＤＰによって失速が引き起こされる場合がある。
【0122】
幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータに基づいてＤＰ（例：高圧ＤＰ（ＨＰＤＰ）及び／又は低圧ＤＰ（ＬＰＤＰ））を決定する。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、ＨＰｉｎ流体１３０及び／又はＨＰｏｕｔ流体１５０のセンサに基づいてＨＰＤＰを決定する。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、ＨＰｉｎ流体１３０とＨＰｏｕｔ流体１５０の間に経路設定されたパイピング内に配置されたセンサに基づいてＨＰＤＰを決定する。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、ＬＰｉｎ流体１２０及び／又はＬＰｏｕｔ流体１４０のセンサに基づいてＬＰＤＰを決定する。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、ＬＰｉｎ流体１２０とＬＰｏｕｔ流体１４０の間に経路設定されたパイピング内に配置されたセンサに基づいてＬＰＤＰを決定する。
【0123】
図１４Ａを参照すると、幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータに基づいてＤＰ（例：ＨＰＤＰ及び／又はＬＰＤＰ）を決定し、かつコントローラ１４１０は、ＤＰが閾値を満たすこと（例：ＨＰＤＰが第１の閾値を超えること、及び／又はＬＰＤＰが第２の閾値を超えること）に応答してポンプのＲＰＭを減少させる。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータ（例：高圧流体ポンプ１３４及び／又は低圧流体ポンプ１２４からのセンサのデータ）に基づいてＲＰＭを決定する。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、高圧流体ポンプ１３４及び低圧流体ポンプ１２４のＲＰＭが（例えば、高圧流体ポンプ１３４及び低圧流体ポンプ１２４に命令を送ることによって）調節されるようにする。
【0124】
図１４Ｂを参照すると、幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータに基づいてＤＰを決定し、かつコントローラ１４１０は、対応するＤＰが閾値を満たすこと（例：閾値を超えること）に応答して、１つ以上のバルブ１４２０を作動させる（例：バルブ位置を調節する）。
【0125】
図１４Ｃを参照すると、幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータに基づいてＤＰを決定し、かつコントローラ１４１０は、対応するＤＰが閾値を超えたことに応答して、１つ以上のバイパスバルブ１４３０を介してバイパス流をもたらす。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータ（例：ＨＰＤＰ、ＬＰＤＰ等）に基づいて、バイパスバルブ１４３０Ａを作動させ、ＬＰｉｎ流体１２０の他の場所への（例：リザバーへの、ＬＰ流体源への）バイパスをもたらす。幾つかの実施形態では、コントローラ１４１０は、センサのデータ（例：ＨＰＤＰ、ＬＰＤＰ等）に基づいて、バイパスバルブ１４３０Ｂを作動させ、ＨＰｉｎ流体１３０のＬＰｏｕｔ流体１４０へのバイパスをもたらす。
【0126】
図１５は、ある実施形態による、コンピュータシステム１５００を示したブロック図である。幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、クライアントデバイスである。幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、コントローラデバイス（例：サーバ、図１４Ａ－Ｃのコントローラ１４１０、クライアントデバイス等）である。
【0127】
幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、（例：ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、イントラネット、エクストラネット、又はインターネット等のネットワークを介して）他のコンピュータシステムに接続されている。コンピュータシステム１５００は、クライアントサーバ環境ではサーバ又はクライアントコンピュータの能力で、又は、ピアツーピア又は分散ネットワーク環境では、ピアコンピュータとして、動作する。幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、タブレットＰＣ、セットトップボックス（ＳＴＢ）、パーソナルデジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話、ウェブアプライアンス、サーバ、ネットワークルータ、スイッチ又はブリッジ、又は、（シーケンシャルな、さもなければ）その装置がとるべきアクションを特定する１セットの命令を実行する能力を持つ任意の装置、によって提供される。さらに、「コンピュータ」という単語は、本明細書に記載の１つ以上の任意の方法を実施するための１セットの（又は複数セットの）命令を個別又は協働的に実行する、コンピュータの任意の集合体を含むものとする。
【0128】
幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、バス１５０８を介して相互に通信する、処理装置１５０２、揮発性メモリ１５０４（例：ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ））、不揮発性メモリ１５０６（例：ＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）又はＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ－Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ））、及び／又はデータ記憶装置１５１６、を含む。
【0129】
幾つかの実施形態では、処理装置１５０２は、汎用プロセッサ等のプロセッサ（例：ＣＩＳＣ（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）マイクロプロセッサ、ＲＩＳＣ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｓｅｔ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）マイクロプロセッサ、ＶＬＩＷ（Ｖｅｒｙ Ｌｏｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｗｏｒｄ）マイクロプロセッサ、他の種類の命令のセットを実行するマイクロプロセッサ、又は複数の種類の命令のセットの組み合わせを実行するマイクロプロセッサ等）、又は特殊化されたプロセッサ（例：ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、又はネットワークプロセッサ等）、を１つ以上備えている。幾つかの実施形態では、処理装置１５０２は、単一のプロセッサ、複数のプロセッサ、複数の処理コアを有する単一のプロセッサ、及び／又はそれらに類するもののうち１つ以上を備えている。
【0130】
幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、（例えば、ネットワーク１５７４に結合された）ネットワークインターフェースデバイス１５２２をさらに備えている。幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００は、１つ以上のＩ／Ｏ（ｉｎｐｕｔ／ｏｕｔｐｕｔ）デバイスを備えている。幾つかの実施形態では、コンピュータシステム１５００はまた、ビデオ表示ユニット１５１０（例：液晶ディスプレイ（ＬＣＤ））、英数字入力デバイス１５１２（例：キーボード）、カーソル制御デバイス１５１４（例：マウス）、及び／又は信号生成デバイス１５２０、も含んでいる。
【0131】
幾つかの実施例では、データ記憶装置１５１８（例：ディスクドライブストレージ、固定及び／又はリムーバブル記憶装置、固定ディスクドライブ、リムーバブルメモリーカード、光学ストレージ、ネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）、ならびに／又はストレージエリアネットワーク（ＳＡＮ））は、本明細書に記載の方法又は機能のうちいずれか１つ以上をエンコードし、かつ本明細書に記載の方法を実施するためである命令１５２６を格納する、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体１５２４を備えている。
【0132】
幾つかの実施形態では、命令１５２６はまた、コンピュータシステム１５００によるその実行中、揮発性メモリ１５０４及び／又は処理装置１５０２内に完全又は部分的に存在している。従って、揮発性メモリ１５０４及び処理装置１５０２も、幾つかの実施形態では、機械可読記憶媒体を構成する。
【0133】
コンピュータ可読記憶媒体１５２４は、例示的な例においては単一の媒体として示されているが、「コンピュータ可読記憶媒体」という単語は、実行可能な命令のセットを１つ以上格納した、単一又は複数の媒体（例：集中型又は分散型のデータベース、及び／又は関連付けられたキャッシュ及びサーバ）を含むものとする。「コンピュータ可読記憶媒体」という単語はまた、コンピュータが本明細書に記載の方法を１つ以上実施するようにする、コンピュータによる実行の命令のセットを格納又はエンコードできる任意の有形媒体を含みもするものとする。「コンピュータ可読記録媒体」という単語はまた、ソリッドステートメモリ、光学媒体、及び磁気媒体を含むものとするが、それらに限定されるわけではない。
【0134】
本明細書で記述される方法、構成要素、及び特徴は、個別のハードウェア構成要素によって実行されてもよいし、又は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、又は類似の装置等、他のハードウェア構成要素の機能に統合されてもよい。加えて、それらの方法、構成要素、及び特徴は、ハードウェアデバイス内のファームウェアモジュール又は機能回路によって実行されてもよい。さらに、それらの方法、構成要素、及び特徴は、ハードウェアとコンピュータプログラムコンポーネントの任意の組み合わせにおいて、又はコンピュータプログラムにおいて、実行され得る。
【0135】
特に断らない限り、「作動させる」「調節する」「引き起こす」「制御する」「決定する」「識別する」「提供する」「受信する」等の語、又はそれらに類する語は、コンピュータシステムのレジスタ又はメモリ内で物理量（電気量）として表現されるデータを操作及び変換し、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ内、又は他のそのような情報記憶装置、伝達装置、又は表示装置内で同様に物理量として表現される他のデータにする、コンピュータシステムによって実施又は実行されるアクション又はプロセスを指す。また、本明細書で用いられる「第１の」「第２の」「第３の」「第４の」等の語は、異なる要素を区別するためのラベルとして意味されており、それらの数値指定に従う序列的意味は有さなくてもよい。
【0136】
本明細書に記載の実施例は、本明細書に記載の方法を実施するための装置にも関する。この装置は、本明細書に記載される方法を実施するために特別に構成されたものであってもよいし、又はコンピュータシステム内に格納されたコンピュータプログラムによって選択的にプログラムされた汎用コンピュータシステムを含んでもよい。そのようなコンピュータプログラムは、コンピュータ可読有形記憶媒体に格納されていてもよい。
【0137】
本明細書で説明される方法及び例示的な例は、特定のコンピュータ又は他の装置に本質的に関連するものではない。様々な汎用システムが、本明細書に記載された教えに従って用いられることができ、又は本明細書に記載された方法及び／又はその個々の機能、ルーチン、サブルーチン、又は操作の各々を実施すべくより特殊化された装置を構築することが便利であることが判明する場合もある。このような様々なシステムの構造例は、上記の説明に記載されている。
【0138】
本明細書で使用される「上方」「下方」「間」「～上に配置された」及び「上」という語は、１つの材料層又は構成要素の、他の層又は構成要素に対する相対的な位置を指す。例えば、他の層の上、上方、又は下に配置された１つの層は、当該他の層と直接接触している場合もあれば、又は１つ以上の介在層を有している場合もある。さらに、２つの層の間に配置された１つの層は、２つの層と直接接触している場合もあれば、又は１つ以上の介在層を有している場合もある。同様に、特に明示しない限り、２つの特徴の間に配置された１つの特徴は、隣接する特徴と直接接触している場合もあれば、又は１つ以上の介在層を有している場合もある。
【0139】
前述の説明では、本開示の幾つかの実施形態のよい理解を提供すべく、特定のシステム、構成要素、方法等の例等、多数の特定の詳細が示されている。しかしながら、当業者にとっては、本開示の少なくとも幾つかの実施形態はそれらの具体的な詳細なしで実施され得るということは明らかであろう。他の例では、本開示を不必要に不明瞭にすることを避けるべく、公知の構成要素又は方法は、詳細には記載されないか、又は単純なブロック図の形式で示されている。従って、上記の特定の詳細は、単に例示的なものである。特定の実装がこれらの例示的な詳細とは異なっていても、依然として本開示の範囲内であると考えられる。
【0140】
幾つかの実施形態において、バルブシステム（例：チャッキバルブ１３１０、チャッキバルブ１３１２）が脱塩システムの文脈で記載されたことには、留意されたい。もっとも、類似のバルブシステムが、圧力交換器１３０８の他の用途において用いられてもよい。例えば、バルブシステムは、本明細書に記載の、フラッキングシステム及び冷凍システムを含む流体処理システムに組み込まれていてもよい。
【0141】
本明細書全体を通じて、「一実施形態」又は「ある実施形態」という参照は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特徴が、少なくとも１つの実施形態に含まれていることを意味する。即ち、本明細書全体を通じて様々な場所で「一実施形態では」又は「ある実施形態では」といった表現が現れるが、必ずしもすべて同じ実施形態に言及しているというわけではない。加えて、「又は」という語は、排他的な「又は」ではなく包括的な「又は」を意味することが意図されている。本明細書で使用される「約」「実質的に」又は「おおよそ」という語が使用されているとき、これは、提示された公称値が、±１０％以内の精度であることを意味することが意図されている。また、本明細書で使用される「第１の」「第２の」「第３の」「第４の」等の語は、異なる要素を区別するためのラベルとして意味されており、必ずしもそれらの数値指定に従う序列的な意味を有さなくてもよい。
【0142】
本明細書における方法の動作は、特定の順番で示されかつ記述されているが、各方法の動作の順番は、特定の動作が逆の順序で実施され得るように、又は特定の動作が少なくとも部分的に他の動作と同時に実行され得るように、変更されてもよい。他の実施形態では、別個の動作の命令又はサブ動作は、断続的かつ／又は交互であってもよい。一実施形態では、複数の金属接合動作が、単一のステップとして実行される。
【0143】
上記の説明は、例示を意図されており、制限的なものではないことは、理解されたい。上記の説明を読んで理解した当業者にとっては、他の多くの実施形態が明らかだろう。従って、本開示の範囲は、添付の請求項を参照しつつ、各請求項に与えられる均等物の全範囲と共に、決定されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図7E】
【図7F】
【図7G】
【図7H】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図8F】
【図8G】
【図8H】
【図8I】
【図8J】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15】
【国際調査報告】