淡水化装置および淡水の製造方法
【課題】エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置および淡水製造方法を提供する。
【解決手段】原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、原水を貯留する原水タンクと、原水タンク内に設置され、原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、原水タンク内から水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、原水タンクと凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または淡水が備える熱エネルギーを原水に付与する熱交換器とを有し、熱交換器が原水の気化を促進する役割を果たすことにより、上記課題を解決する。
【解決手段】原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、原水を貯留する原水タンクと、原水タンク内に設置され、原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、原水タンク内から水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、原水タンクと凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または淡水が備える熱エネルギーを原水に付与する熱交換器とを有し、熱交換器が原水の気化を促進する役割を果たすことにより、上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、淡水化装置および淡水の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化する方法として多段フラッシュ法および逆浸透圧法が知られている。
多段フラッシュ法は海水に熱を加えて生成した水蒸気を凝縮器によって液化することで淡水（蒸留水）を得る方法である。多段フラッシュ法では、通常、エネルギー効率を高めるために減圧室を多段化する。したがって、装置が大規模になる。
逆浸透圧法は、海水に圧力を加えて逆浸透膜（ＲＯ膜、Reverse Osmosis Membrane）を通過させ、海水の塩分を分離して淡水を得る方法である。逆浸透膜は、水分子は通すが海水中に含まれる種々のイオンや塩類等の不純物は通さない性質の膜であり、膜が備える孔の大きさは２ナノメートル以下程度である。逆浸透圧法は多段フラッシュ法と比較するとエネルギー効率に優れているが、ＲＯ膜が海水中の微生物、析出物、不純物等で目詰まりしないように前処理する必要がある。また、ＲＯ膜自体の寿命が比較的短い。
また、海水等を淡水化する方法や淡水化装置として、具体的には例えば特許文献１〜４に記載の淡水化装置等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１９９７／０４８６４６号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−０７０９２９号公報
【特許文献３】特開２００９−５３２６５５号公報
【特許文献４】特開２００９−０７２７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の多段フラッシュ法はエネルギー効率が非常に悪く、多量のエネルギーを投入する必要があった。また、減圧室を多段化するために、装置自体の大型化が避けられなかった。
また、逆浸透圧法では、目詰まりを避けるための前処理が必要であり、またＲＯ膜自体の寿命が比較的短いため、コストが高くなる点が問題であった。
また、特許文献１，２に記載の省エネルギーのために太陽光を用いる淡水化装置については、運転時間、エネルギー効率およびコスト等に改善の余地があった。また、特許文献３はヒートポンプの一例である。さらに、特許文献４には気流循環による海水の淡水化装置が開示されている。しかしながら、特許文献４に記載の淡水化装置は、海水、または水蒸気を含む気流を加熱するための加熱源が必要である。また、高濃度に濃縮された海水をノズル等から噴霧するため、ノズル等に塩が析出して詰まってしまい、メンテナンスに手間がかかるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決することを課題とする。
すなわち本発明は、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置および淡水製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記の課題を解決することを目的として鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、前記原水を貯留する原水タンクと、前記原水タンク内に設置され、前記原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、前記水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、前記原水タンク内から前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を前記凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、前記原水タンクと前記凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する熱交換器と、を有し、前記熱交換器が前記原水の気化を促進する役割を果たす淡水化装置を提供する。
このような淡水化装置を、以下では「本発明の装置」ともいう。
【０００７】
また、本発明の装置は、前記熱交換器が前記凝縮部の内部に設置されており、さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記熱交換器へ送る原水送出手段と、前記熱交換器を介して熱エネルギーが付与された後の原水を、前記気化器へ送る原水リターン手段と、前記原水タンク内の前記原水を前記原水送出手段によって前記熱交換器へ送り、さらに前記原水リターン手段によって前記気化器へ送る原水循環手段と、を有するものであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の装置は、前記熱交換器が前記原水タンクの内部に設置されており、前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気を、前記凝縮部から前記熱交換器内へ移動させることができる構造、または前記熱交換器内を経由して前記凝縮部へ移動させることができる構造を備えており、さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記気化器へ送るための原水送出手段および原水循環手段を有するものであることが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明の装置は、前記水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または前記凝縮部に、前記原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを、さらに有するものであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を得る淡水の製造方法であって、前記原水を気化させて水蒸気を得る工程と、前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を得る工程と、前記温度が高められた水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する工程と、前記温度が高められた水蒸気を凝縮させて淡水を得る工程と、を備え、前記原水へ前記熱エネルギーを付与することで前記原水の気化を促進する、淡水の製造方法を提供する。
このような淡水の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。
【００１１】
本発明の製造方法は、本発明の装置を用いて行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置および淡水製造方法を提供することができる。本発明の淡水化装置は小型化することもできるが、逆に大型化することもでき、小型の本発明の淡水化装置を複数台並列に設置して得られる淡水の量を増大させることもできる。また、常圧で動作させれば煮沸消毒された飲料水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の装置の好適態様（態様１）を説明するための概略図である。
【図２】本発明の装置の別の好適態様（態様２）を説明するための概略図である。
【図３】本発明の装置の別の好適態様（態様３）を説明するための概略図である。
【図４】本発明の装置の別の好適態様（態様４）を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の装置について、好適態様である、態様１、態様２、態様３、および態様４を挙げ、各々について図を用いて説明する。ただし、本発明の装置は、態様１、態様２、態様３、および態様４に限定されるものではない。
【００１５】
＜態様１＞
図１に示す態様１において、本発明の装置１０は、原水タンク１２、水蒸気送出部１４、凝縮部１６、熱交換器１８、原水循環ポンプ２６、原水循環パイプ２８，３０、原水リターンパイプ３２、原水スプレー３４、および排気ポンプ３６を有している。また、水蒸気送出部１４は、水蒸気ポンプ２０、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４から構成される。
【００１６】
［原水タンク］
原水タンク１２は、内側の底部に原水３を溜める機能を備え、内側の上部に原水３が蒸発してなる水蒸気５を溜める機能を備える。また、原水タンク１２は、内側の上部に、気化器としての原水スプレー３４を有する。原水スプレー３４は、シャワーまたは超音波等によって原水３’を細かい水滴の状態（例えばミスト状）にして、原水３’が水蒸気５になり易くする役割を果たす。
なお、本発明において「原水」とは、海水やそのままでは飲用に適さない湖沼等の水等を意味するものとする。
【００１７】
また、原水タンク１２には、原水３を注入する原水注入口９２があり、ここから原水３を注入することができる。また、原水タンク１２には原水取出口９４があり、ここから濃縮された原水３を排出することができる。これは、例えば海水のようにある程度の塩分濃度を有する原水を蒸発させ続けた場合、徐々に塩分濃度が高くなり、淡水化効率が低下するとともに塩分や不純物等が析出するので、これを防ぐためにフレッシュな原水を原水タンクに注入しつつ、塩分濃度等が高くなった原水を取り出すためである。
後述する態様２〜４における本発明の装置も、同様の理由で同様のものを備える。
【００１８】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部１４の一部を構成する水蒸気入力パイプ２２は、原水タンク１２の内側の上部空間と水蒸気ポンプ２０とを繋いでおり、また、水蒸気出力パイプ２４は、水蒸気ポンプ２０と、後述する凝縮部１６の内側の上部空間とを繋いでいる。つまり、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４は、原水タンク１２と凝縮部１６とを接続する接続部を構成する。そして、水蒸気ポンプ２０の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間に存在する水蒸気５を吸引して、凝縮部１６の内側の上部空間へ送出することができる。ここで、水蒸気入力パイプ２２の内部にはフィルタ４０が設置され、水蒸気５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
なお、水蒸気ポンプ２０には、電力モータ、エンジン、風力、水力、人力等の動力を用いることができる。後述する態様２〜４においても同様である。
【００１９】
［凝縮部］
凝縮部１６はタンク状であり、凝縮部１６の内側の上部空間に、水蒸気送出部１４から送出され温度が高められた水蒸気５’を取り入れることができる。水蒸気５’は、後述する熱交換器１８と接触して冷却されて、少なくともその一部が淡水７となる。淡水７は凝縮部１６の内部の底に貯まる。
【００２０】
また、凝縮部１６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ３６が排気パイプ３５を介して接続されている。排気ポンプ３６は凝縮部１６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク１２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。そして、排気ポンプ３６の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間の圧力、凝縮部１６の内側の上部空間の圧力、水蒸気入力パイプ２２の内部の圧力、および水蒸気出力パイプ２４の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ２０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気５および５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ３６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００２１】
なお、図１に示す態様１における本発明の装置１０は、排気ポンプ３６を、凝縮部１６の上部空間に繋がる排気パイプ３５を介して有しており、これによって原水タンク１２の内部の上部空間の圧力を低下させるものであるが、本発明において排気ポンプ３６の位置は、態様１のように凝縮部１６に繋がっているか、または水蒸気送出部１４における水蒸気ポンプ２０よりも後段に繋がっていることが好ましい。このような位置に原水タンク１２の内部を減圧するための排気ポンプ３６を有する場合、排気ポンプ３６が原水タンク１２または水蒸気入力パイプ２２に接続されている場合と比較すると、水蒸気ポンプ２０によって加圧されている分、不純物ガスの濃度も高く、排気ポンプ３６の負荷が少なくなるので、省電力化が可能となり、場合によってはポンプ容量を小さくすることができる点で優れている。
後述する態様２〜４においても、同様の理由で、水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または凝縮部に、原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを有することが好ましい。
【００２２】
［熱交換器］
熱交換器１８は凝縮部１６の内部に設置されており、凝縮部１６の内部に存する水蒸気５’および／または淡水７が備える熱エネルギーが原水３に付与される。原水３は水蒸気５’および／または淡水７から熱エネルギーを得て温度が上昇するので、原水３の蒸発が促進される。
熱交換器１８は、原水循環パイプ２８、３０と接続していて、原水タンク１２内の原水３は、原水循環ポンプ２６の作用によって原水循環パイプ２８、３０を通じて熱交換器１８へ送り込まれる。また、熱交換器１８は、原水リターンパイプ３２と接続していて、熱エネルギーが与えられた後の原水３’は、原水リターンパイプ３２を通じて原水スプレー３４へ送られる。
このような構成によって、原水タンク１２内の原水３は原水循環パイプ２８，３０を通って熱交換器１８に到達し、熱エネルギーを得ることで高温化し（原水３’）、その後、原水リターンパイプ３２を通って原水スプレー３４から放出される。
【００２３】
熱交換器１８の大きさや材質等は特に限定されず、水蒸気５’および／または淡水７と原水３との熱交換をできるだけ効率よく行うことができるものであることが好ましい。例えば数ｍ2程度の表面積を有するものであることが好ましい。またステンレス、チタン、銅、銅合金（黄銅、白銅等）、ニッケル、モネル、アルミニウム、およびアルミニウム合金等の伝熱効率が高く、耐食性を有する材質からなる熱交換器であることが好ましい。後述する態様２〜４における熱交換器においても同様である。
【００２４】
次に、態様１の動作を、図１を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク１２内の原水３は、原水循環パイプ２８、３０を通って熱交換器１８へ送り込まれる。そして、熱交換器１８において熱エネルギーが付与され、温度が高められた後、原水リターンパイプ３２を通って原水スプレー３４から排出され、気化されて水蒸気５が発生する。ここで、排気ポンプ３６の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水３’は蒸気化しやすい。例えば原水タンク１２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
次に、水蒸気ポンプ２０の作用によって水蒸気５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気５’となる。例えば、原水タンク１２の内側の上部に存在する水蒸気５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ２０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気５’とすることができる。
水蒸気５は、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４を通って、凝縮部１６の内部の上部空間に達する。そして、少なくともその一部が淡水７となる。
温度が高められた水蒸気５’および／または淡水７は、保有する熱エネルギーを熱交換器１８を介して原水３に付与する。熱エネルギーを原水３へ付与した水蒸気５’は淡水７となる。
そして、淡水７は、タンク状の凝縮部１６の内部の底に貯まる。
【００２５】
本発明の装置１０の起動は、次の（i）〜（ix）に示すステップで行うことができる。
後述する態様２〜４でも同様に起動することができる。
（i）排水バルブ９６、９４を開き淡水と原水を排出する。
（ii）排水バルブ９６、９４を閉じる。
（iii）給水バルブ９２を開き、原水タンクに原水を入れる。
（iv）給水バルブ９２を閉める。
（v）排気ポンプ３６を動かし本発明の装置１０の内部を減圧する。
（vi）水蒸気ポンプ２０、原水循環ポンプ２６を動作させる。
（vii）淡水タンクに淡水が所定量蓄えられたら、排出バルブ９６を開き淡水を排出する。淡水を排出したら排出バルブ９６は閉じる。
（viii）原水タンク内の原水が減ってきたら、給水バルブ９２を開き原水を補給する。原水を補給した後は、給水バルブ９２を閉じる。
（ix）原水タンク内の濃度（塩分）が高くなってきたら排水バルブ９４を開き原水を排出する。原水を排出した後は、排水バルブ９４を閉じる。
その後、（vii）〜（ix）を適宜繰り返す。
なお、排出バルブ９４、９６の下方には、図には明記されていない排出ポンプにより吸引されている。
また、上記（i）〜（ix）の動作は、図示しない制御装置により制御され、オペレータが起動を指示した後は、自動的にそれぞれのステップが実行されるようにするのが好ましい。
【００２６】
＜態様２＞
図２に示す態様２において、本発明の装置６０は、原水タンク６２、水蒸気送出部６４、凝縮部６６、熱交換器６８、原水循環ポンプ７６、原水循環パイプ７８、原水スプレー８４および排気ポンプ８６を有している。また、水蒸気送出部６４は、水蒸気ポンプ７０、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４から構成される。
【００２７】
［原水タンク］
原水タンク６２は、内側の底部に原水５３を溜める機能を備え、内側の上部に原水５３が蒸発してなる水蒸気５５を溜める機能を備える。また、原水タンク６２は、内側の上部に気化器としての原水スプレー８４を有する。また、原水スプレー８４は原水循環パイプ７８を介して、原水タンク６２の底部と繋がっており、原水循環ポンプ７６の作用によって、原水タンク６２の内側の底部に貯まっている原水５３を汲み上げて、原水スプレー８４から原水５３をシャワー状やミスト状等にして放出することができる。
【００２８】
［熱交換器］
熱交換器６８は、原水タンク６２の内部に設置されている。また、熱交換器６８は後述する凝縮部６６と繋がっていて、凝縮部６６内の水蒸気５５’が熱交換器６８内へ移動できるように構成されている。
熱交換器６８は、凝縮部６６内から移動してきた水蒸気５５’が備える熱エネルギーを原水５３に付与する。また、熱交換器６８は、原水スプレー８４から熱交換器６８の上面へスプレーされた原水５３へ熱エネルギーを供給する。その結果、原水５３は熱交換器６８の表面において熱エネルギーを得ることで温度が上昇する。温度が上昇した原水５３は水蒸気となり易い。また、後述する排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水５３は蒸気化しやすい。
【００２９】
［凝縮部］
凝縮部６６は管状のものであり、その内部に、水蒸気送出部６４から送出され温度が高められた水蒸気５５’を取り入れることができる。取り入れた水蒸気５５’は熱交換器６８へ達し、ここで原水５３へ熱エネルギーを供給し、水蒸気５５’は冷却され凝縮されて淡水５７となる。熱交換器６８内で生成された淡水５７は、熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路内を流れて、凝縮部６６の底部に取り付けられた淡水タンクに貯まる。図２に示すように、淡水タンクは熱交換器６８に対して下に配置されており、かつ熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路が熱交換器６８から淡水タンクへ向かって徐々に低位になるように斜めの勾配をもって配置されているので、熱交換器６８の付近で生じた淡水５７は、重力の作用によって淡水タンクへ流れていく。
淡水タンクの底部には淡水取出口９６があり、ここから淡水５７を排出することができる。
【００３０】
また、凝縮部６６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ８６が排気パイプ８５を介して接続されている。排気ポンプ８６は凝縮部６６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク６２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。つまり、排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間の圧力、凝縮部６６の内側の上部空間の圧力、水蒸気入力パイプ７２の内部の圧力、および水蒸気出力パイプ７４の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ７０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気５５および５５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ８６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００３１】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部６４の一部を構成する水蒸気入力パイプ７２は、原水タンク６２の内側の上部空間と水蒸気ポンプ７０とを繋いでおり、また、水蒸気出力パイプ７４は、水蒸気ポンプ７０と、後述する凝縮部６６の内側の上部空間とを繋いでいる。つまり、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４は、原水タンク６２と凝縮部６６とを接続する接続部を構成する。そして、水蒸気ポンプ７０の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間に存在する水蒸気５５を吸引して、凝縮部６６の内側の上部空間へ送出することができる。ここで、水蒸気入力パイプ７２の内部にフィルタ９０が設置されていて、これによって水蒸気５５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
【００３２】
次に、態様２の動作を、図２を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク６２内の原水５３は、原水循環パイプ７８を通って原水スプレー８４に達し、ここから熱交換器６８の上面へ向かって排出される。そして、熱交換器６８の上面において気化され、水蒸気５５が発生する。ここで、熱交換器６８は原水タンク６２の底に溜まっている原水５３と接しているので、底にたまっている原水５３もある程度温度が高まっており、気化しやすくなっている。また、排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水５３は蒸気化しやすくなっている。例えば原水タンク６２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
【００３３】
次に、水蒸気ポンプ７０の作用によって水蒸気５５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気５５’となる。例えば、原水タンク６２の内側の上部に存在する水蒸気５５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ７０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気５５’とすることができる。
水蒸気５５は、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４を通って、凝縮部６６の内部の上部空間に達する。そして、少なくともその一部が淡水５７となる。
温度が高められた水蒸気５５’および／または淡水５７は、保有する熱エネルギーを、熱交換器６８を介して原水５３に付与する。熱エネルギーを原水５３に付与した水蒸気５５’は淡水５７となる。
そして、淡水５７は、凝縮部６６の内部の底に貯まる。
【００３４】
＜態様３＞
図３に示す態様３は、前述の態様２と類似する態様である。図３では、図２に示した態様２と同じ構成を意味するものには、同じ記号を付している。
態様３については、態様２と異なるところのみを説明する。
【００３５】
態様２では、水蒸気５５’は熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路中を移動し、下方から上方の熱交換器６８の内部へ達するが、これに対して態様３では、水蒸気５５’は上方から熱交換器６８の内部へ達し、下方へ通り抜けるように構成されている。
その他の構成および動作については、態様２と同様である。
【００３６】
＜態様４＞
図４に示す態様４において、本発明の装置１６０は、原水タンク１６２、水蒸気送出部１６４、凝縮部１６６、熱交換器１６８、原水循環ポンプ１７６、原水循環パイプ１７８、原水スプレー１８４および排気ポンプ１８６を有している。また、水蒸気送出部１６４は、水蒸気ポンプ１７０および接続部１７３から構成される。
【００３７】
［原水タンク］
原水タンク１６２は、内側の底部に原水１５３を溜める機能を備え、内側の上部に原水１５３が蒸発してなる水蒸気１５５を溜める機能を備える。また、原水タンク１６２は、内側の上部に気化器としての原水スプレー１８４を有する。また、原水スプレー１８４は原水循環パイプ１７８と繋がっていて、原水循環ポンプ１７６の作用によって、原水タンク１６２の内側の底部に貯まっている原水１５３を汲み上げて、原水スプレー１８４から原水１５３をシャワー状やミスト状等にして放出することができる。
【００３８】
［熱交換器および凝縮部］
熱交換器１６８は、原水タンク１６２の内部に設置されている。
熱交換器１６８は、図４に示すように、ノコギリ歯状であって直線が何度も折れ曲がっている形態、またはパイプを螺旋状に巻いた形態となっている。このような形態であると水蒸気１５５および／または原水１５３との接触面積が増大し、熱交換器として熱交換率が高まるので好ましい。また、図４に示すように、さらに放熱板１６９を有すると、熱交換率がより高まるのでより好ましい。
【００３９】
熱交換器１６８は、管状であり、その内部に水蒸気送出部１６４から送出され温度が高められた水蒸気１５５’を取り入れることができる。取り入れられた水蒸気１５５’は、水蒸気１５５および／または原水１５３へ熱エネルギーを供給し、水蒸気１５５’は冷却されることで凝縮されて淡水１５７となる。熱交換器１６８内で生成された淡水１５７は、凝縮部１６６の一部である淡水タンクに貯まる。図４に示すように、淡水タンクは凝縮部１６６の下部に配置されているので、淡水１５７は重力の作用によって淡水タンクへ流れていく。
【００４０】
また、凝縮部１６６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ１８６が排気パイプ１８５を介して接続されている。排気ポンプ１８６は凝縮部１６６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク１６２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。つまり、排気ポンプ１８６の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間の圧力、凝縮部１６６の内部、熱交換器１６８の内部、および接続部１７３の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ１７０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気１５５および１５５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ１８６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００４１】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部１６４の一部を構成する接続部１７３は、原水タンク１６２の内側の上部空間と熱交換器１６８の内部とを繋いでいる。そして、水蒸気ポンプ１７０の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間に存在する水蒸気１５５を吸引して、熱交換器１６８の内部へ送出することができる。ここで、接続部１７３の入側（水蒸気ポンプ１７０の前段）にフィルタ１９０が設置されていて、これによって水蒸気１５５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
また、態様４において水蒸気ポンプ１７０は遠心ファンであることが好ましい。
【００４２】
次に、態様４の動作を、図４を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク１６２内の原水１５３は原水循環パイプ１７８を通って原水スプレー１８４に達し、ここから排出される。そして、排出された原水１５３は、熱交換器１６８の表面等において気化され、水蒸気１５５となる。ここで、熱交換器１６８は原水タンク１６２の底に溜まっている原水１５３と接しているので、底にたまっている原水１５３もある程度温度が高まっており、気化しやすくなっている。また、排気ポンプ１８６の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水１５３は蒸気化しやすい。例えば原水タンク１６２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
【００４３】
次に、水蒸気ポンプ１７０の作用によって水蒸気１５５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気１５５’となる。例えば、原水タンク１６２の内側の上部に存在する水蒸気１５５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ１７０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気１５５’とすることができる。
水蒸気１５５’は熱交換器１６８の内部を通過して、少なくともその一部が淡水１５７となる。
温度が高められた水蒸気１５５’および／または淡水１５７は、保有する熱エネルギーを、熱交換器１６８を通過する過程で原水１５３に付与する。熱エネルギーを原水１５３に付与した水蒸気１５５’は淡水１５７となる。
そして、淡水１５７は、凝縮部１６６下部の淡水タンクに貯まる。
【００４４】
なお、態様１〜態様４における原水タンク１２、原水タンク６２および原水タンク１６２において、原水を気化させる熱は、凝縮部１６、凝縮部６６および凝縮部１６６（熱交換器１６８）からの熱だけでなく、外気、湯水、熱水、太陽熱、燃焼等他の外部からの熱源を利用することもできる。
また、態様１〜態様４における本発明の装置１０、本発明の装置６０および本発明の装置１６０の全体を断熱材等で覆い、熱を外部へ逃がさないようにすることが好ましい。少なくとも水蒸気出力パイプ２４および７４ならびに接続部１７３を断熱材等で覆うことが好ましい。
【００４５】
態様１〜４においては、排気ポンプ３６、８６および１８６の作用によって、原水タンク１２、６２および１６２の内側の上部空間内の圧力を低下させているが、本発明の装置においては、排気ポンプを有さないものであってもよい。この場合、原水を蒸発させるために原水が１００℃以上となるように加熱する必要があるが、得られる淡水は煮沸消毒されたものであるので、飲料水として利用する上で好ましい。
【００４６】
このような態様１〜態様４を好適態様とする本発明の装置は、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置である。また、本発明の装置は上記のような構成であるので小型化することができるが、逆に大型化することもできる。さらに、小型の本発明の装置を複数台並列に設置して、得られる淡水の量を増大させることもできる。
【実施例】
【００４７】
本発明の実施例について説明する。本発明は以下に説明する実施例に限定されない。
【００４８】
図１に示した態様１の本発明の装置を用いて淡水を製造した。
具体的には、次のような性状、仕様等のものを用いた。
・原水タンク ：タンク状のものであり、容量が１０ｍ3程度のもの。
・凝縮部（タンク） ：タンク状のものであり、容量が１ｍ3以上のもの。
・原水 ：２０℃の海水、１ｍ3
・水蒸気ポンプ ：排気容量 １０００ｍ3／分
：タービン電気容量 ４０ｋＷ以上のもの。
・原水循環ポンプ ：循環量 １８００Ｌ／分
・熱交換器 ：熱交換容量 ６３０ｋＷｈ
：熱交換銅板厚 １ｍｍ
：熱交換銅板表面積 ３ｍ2以上のもの。
このような態様１の本発明の装置は、１時間で１ｍ3の原水を処理できる性能を備えるものである。
【００４９】
上記のような性状、仕様等を備える本発明の装置を用いて原水を処理したところ、熱交換器の出側における原水の温度（原水リターンパイプ内における原水３’の温度）は２５℃となった。また、原水スプレーによって発生し、原水タンクの内側の上部空間内に貯留した水蒸気の温度は２０℃、圧力は２３ｈＰａとなった。また、凝集部の内部の上部空間に存する水蒸気は温度が３０℃、圧力が４２ｈＰａとなった。
そして、このようにして１ｍ3の原水を１時間処理して、３０℃の淡水を得ることができた。
【００５０】
以上、本発明の淡水化装置および淡水の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
３，３’，５３，１５３ 原水
５，５’，５５，５５’，１５５，１５５’ 水蒸気
７，５７，１５７ 淡水
１０，６０，１６０ 本発明の装置
１２，６２，１６２ 原水タンク
１４，６４，１６４ 水蒸気送出部
１６，６６，１６６ 凝縮部
１８，６８，１６８ 熱交換器
２０，７０，１７０ 水蒸気ポンプ
２２，７２ 水蒸気入力パイプ
２４，７４ 水蒸気出力パイプ
２６，７６，１７６ 原水循環ポンプ
２８，３０，７８，１７８ 原水循環パイプ
３２ 原水リターンパイプ
３４，８４，１８４ 原水スプレー
３５，８５，１８５ 排気パイプ
３６，８６，１８６ 排気ポンプ
４０，９０，１９０ フィルタ
９２ 原水注入口
９４ 原水取出口
９６ 淡水取出口
１７３ 接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、淡水化装置および淡水の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化する方法として多段フラッシュ法および逆浸透圧法が知られている。
多段フラッシュ法は海水に熱を加えて生成した水蒸気を凝縮器によって液化することで淡水（蒸留水）を得る方法である。多段フラッシュ法では、通常、エネルギー効率を高めるために減圧室を多段化する。したがって、装置が大規模になる。
逆浸透圧法は、海水に圧力を加えて逆浸透膜（ＲＯ膜、Reverse Osmosis Membrane）を通過させ、海水の塩分を分離して淡水を得る方法である。逆浸透膜は、水分子は通すが海水中に含まれる種々のイオンや塩類等の不純物は通さない性質の膜であり、膜が備える孔の大きさは２ナノメートル以下程度である。逆浸透圧法は多段フラッシュ法と比較するとエネルギー効率に優れているが、ＲＯ膜が海水中の微生物、析出物、不純物等で目詰まりしないように前処理する必要がある。また、ＲＯ膜自体の寿命が比較的短い。
また、海水等を淡水化する方法や淡水化装置として、具体的には例えば特許文献１〜４に記載の淡水化装置等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１９９７／０４８６４６号パンフレット
【特許文献２】特開２００１−０７０９２９号公報
【特許文献３】特開２００９−５３２６５５号公報
【特許文献４】特開２００９−０７２７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の多段フラッシュ法はエネルギー効率が非常に悪く、多量のエネルギーを投入する必要があった。また、減圧室を多段化するために、装置自体の大型化が避けられなかった。
また、逆浸透圧法では、目詰まりを避けるための前処理が必要であり、またＲＯ膜自体の寿命が比較的短いため、コストが高くなる点が問題であった。
また、特許文献１，２に記載の省エネルギーのために太陽光を用いる淡水化装置については、運転時間、エネルギー効率およびコスト等に改善の余地があった。また、特許文献３はヒートポンプの一例である。さらに、特許文献４には気流循環による海水の淡水化装置が開示されている。しかしながら、特許文献４に記載の淡水化装置は、海水、または水蒸気を含む気流を加熱するための加熱源が必要である。また、高濃度に濃縮された海水をノズル等から噴霧するため、ノズル等に塩が析出して詰まってしまい、メンテナンスに手間がかかるという問題がある。
【０００５】
本発明は上記の課題を解決することを課題とする。
すなわち本発明は、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置および淡水製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記の課題を解決することを目的として鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は、原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、前記原水を貯留する原水タンクと、前記原水タンク内に設置され、前記原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、前記水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、前記原水タンク内から前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を前記凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、前記原水タンクと前記凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する熱交換器と、を有し、前記熱交換器が前記原水の気化を促進する役割を果たす淡水化装置を提供する。
このような淡水化装置を、以下では「本発明の装置」ともいう。
【０００７】
また、本発明の装置は、前記熱交換器が前記凝縮部の内部に設置されており、さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記熱交換器へ送る原水送出手段と、前記熱交換器を介して熱エネルギーが付与された後の原水を、前記気化器へ送る原水リターン手段と、前記原水タンク内の前記原水を前記原水送出手段によって前記熱交換器へ送り、さらに前記原水リターン手段によって前記気化器へ送る原水循環手段と、を有するものであることが好ましい。
【０００８】
また、本発明の装置は、前記熱交換器が前記原水タンクの内部に設置されており、前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気を、前記凝縮部から前記熱交換器内へ移動させることができる構造、または前記熱交換器内を経由して前記凝縮部へ移動させることができる構造を備えており、さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記気化器へ送るための原水送出手段および原水循環手段を有するものであることが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明の装置は、前記水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または前記凝縮部に、前記原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを、さらに有するものであることが好ましい。
【００１０】
また、本発明は、原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を得る淡水の製造方法であって、前記原水を気化させて水蒸気を得る工程と、前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を得る工程と、前記温度が高められた水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する工程と、前記温度が高められた水蒸気を凝縮させて淡水を得る工程と、を備え、前記原水へ前記熱エネルギーを付与することで前記原水の気化を促進する、淡水の製造方法を提供する。
このような淡水の製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。
【００１１】
本発明の製造方法は、本発明の装置を用いて行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置および淡水製造方法を提供することができる。本発明の淡水化装置は小型化することもできるが、逆に大型化することもでき、小型の本発明の淡水化装置を複数台並列に設置して得られる淡水の量を増大させることもできる。また、常圧で動作させれば煮沸消毒された飲料水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の装置の好適態様（態様１）を説明するための概略図である。
【図２】本発明の装置の別の好適態様（態様２）を説明するための概略図である。
【図３】本発明の装置の別の好適態様（態様３）を説明するための概略図である。
【図４】本発明の装置の別の好適態様（態様４）を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の装置について、好適態様である、態様１、態様２、態様３、および態様４を挙げ、各々について図を用いて説明する。ただし、本発明の装置は、態様１、態様２、態様３、および態様４に限定されるものではない。
【００１５】
＜態様１＞
図１に示す態様１において、本発明の装置１０は、原水タンク１２、水蒸気送出部１４、凝縮部１６、熱交換器１８、原水循環ポンプ２６、原水循環パイプ２８，３０、原水リターンパイプ３２、原水スプレー３４、および排気ポンプ３６を有している。また、水蒸気送出部１４は、水蒸気ポンプ２０、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４から構成される。
【００１６】
［原水タンク］
原水タンク１２は、内側の底部に原水３を溜める機能を備え、内側の上部に原水３が蒸発してなる水蒸気５を溜める機能を備える。また、原水タンク１２は、内側の上部に、気化器としての原水スプレー３４を有する。原水スプレー３４は、シャワーまたは超音波等によって原水３’を細かい水滴の状態（例えばミスト状）にして、原水３’が水蒸気５になり易くする役割を果たす。
なお、本発明において「原水」とは、海水やそのままでは飲用に適さない湖沼等の水等を意味するものとする。
【００１７】
また、原水タンク１２には、原水３を注入する原水注入口９２があり、ここから原水３を注入することができる。また、原水タンク１２には原水取出口９４があり、ここから濃縮された原水３を排出することができる。これは、例えば海水のようにある程度の塩分濃度を有する原水を蒸発させ続けた場合、徐々に塩分濃度が高くなり、淡水化効率が低下するとともに塩分や不純物等が析出するので、これを防ぐためにフレッシュな原水を原水タンクに注入しつつ、塩分濃度等が高くなった原水を取り出すためである。
後述する態様２〜４における本発明の装置も、同様の理由で同様のものを備える。
【００１８】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部１４の一部を構成する水蒸気入力パイプ２２は、原水タンク１２の内側の上部空間と水蒸気ポンプ２０とを繋いでおり、また、水蒸気出力パイプ２４は、水蒸気ポンプ２０と、後述する凝縮部１６の内側の上部空間とを繋いでいる。つまり、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４は、原水タンク１２と凝縮部１６とを接続する接続部を構成する。そして、水蒸気ポンプ２０の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間に存在する水蒸気５を吸引して、凝縮部１６の内側の上部空間へ送出することができる。ここで、水蒸気入力パイプ２２の内部にはフィルタ４０が設置され、水蒸気５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
なお、水蒸気ポンプ２０には、電力モータ、エンジン、風力、水力、人力等の動力を用いることができる。後述する態様２〜４においても同様である。
【００１９】
［凝縮部］
凝縮部１６はタンク状であり、凝縮部１６の内側の上部空間に、水蒸気送出部１４から送出され温度が高められた水蒸気５’を取り入れることができる。水蒸気５’は、後述する熱交換器１８と接触して冷却されて、少なくともその一部が淡水７となる。淡水７は凝縮部１６の内部の底に貯まる。
【００２０】
また、凝縮部１６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ３６が排気パイプ３５を介して接続されている。排気ポンプ３６は凝縮部１６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク１２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。そして、排気ポンプ３６の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間の圧力、凝縮部１６の内側の上部空間の圧力、水蒸気入力パイプ２２の内部の圧力、および水蒸気出力パイプ２４の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ２０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気５および５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ３６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００２１】
なお、図１に示す態様１における本発明の装置１０は、排気ポンプ３６を、凝縮部１６の上部空間に繋がる排気パイプ３５を介して有しており、これによって原水タンク１２の内部の上部空間の圧力を低下させるものであるが、本発明において排気ポンプ３６の位置は、態様１のように凝縮部１６に繋がっているか、または水蒸気送出部１４における水蒸気ポンプ２０よりも後段に繋がっていることが好ましい。このような位置に原水タンク１２の内部を減圧するための排気ポンプ３６を有する場合、排気ポンプ３６が原水タンク１２または水蒸気入力パイプ２２に接続されている場合と比較すると、水蒸気ポンプ２０によって加圧されている分、不純物ガスの濃度も高く、排気ポンプ３６の負荷が少なくなるので、省電力化が可能となり、場合によってはポンプ容量を小さくすることができる点で優れている。
後述する態様２〜４においても、同様の理由で、水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または凝縮部に、原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを有することが好ましい。
【００２２】
［熱交換器］
熱交換器１８は凝縮部１６の内部に設置されており、凝縮部１６の内部に存する水蒸気５’および／または淡水７が備える熱エネルギーが原水３に付与される。原水３は水蒸気５’および／または淡水７から熱エネルギーを得て温度が上昇するので、原水３の蒸発が促進される。
熱交換器１８は、原水循環パイプ２８、３０と接続していて、原水タンク１２内の原水３は、原水循環ポンプ２６の作用によって原水循環パイプ２８、３０を通じて熱交換器１８へ送り込まれる。また、熱交換器１８は、原水リターンパイプ３２と接続していて、熱エネルギーが与えられた後の原水３’は、原水リターンパイプ３２を通じて原水スプレー３４へ送られる。
このような構成によって、原水タンク１２内の原水３は原水循環パイプ２８，３０を通って熱交換器１８に到達し、熱エネルギーを得ることで高温化し（原水３’）、その後、原水リターンパイプ３２を通って原水スプレー３４から放出される。
【００２３】
熱交換器１８の大きさや材質等は特に限定されず、水蒸気５’および／または淡水７と原水３との熱交換をできるだけ効率よく行うことができるものであることが好ましい。例えば数ｍ2程度の表面積を有するものであることが好ましい。またステンレス、チタン、銅、銅合金（黄銅、白銅等）、ニッケル、モネル、アルミニウム、およびアルミニウム合金等の伝熱効率が高く、耐食性を有する材質からなる熱交換器であることが好ましい。後述する態様２〜４における熱交換器においても同様である。
【００２４】
次に、態様１の動作を、図１を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク１２内の原水３は、原水循環パイプ２８、３０を通って熱交換器１８へ送り込まれる。そして、熱交換器１８において熱エネルギーが付与され、温度が高められた後、原水リターンパイプ３２を通って原水スプレー３４から排出され、気化されて水蒸気５が発生する。ここで、排気ポンプ３６の作用によって、原水タンク１２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水３’は蒸気化しやすい。例えば原水タンク１２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
次に、水蒸気ポンプ２０の作用によって水蒸気５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気５’となる。例えば、原水タンク１２の内側の上部に存在する水蒸気５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ２０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気５’とすることができる。
水蒸気５は、水蒸気入力パイプ２２および水蒸気出力パイプ２４を通って、凝縮部１６の内部の上部空間に達する。そして、少なくともその一部が淡水７となる。
温度が高められた水蒸気５’および／または淡水７は、保有する熱エネルギーを熱交換器１８を介して原水３に付与する。熱エネルギーを原水３へ付与した水蒸気５’は淡水７となる。
そして、淡水７は、タンク状の凝縮部１６の内部の底に貯まる。
【００２５】
本発明の装置１０の起動は、次の（i）〜（ix）に示すステップで行うことができる。
後述する態様２〜４でも同様に起動することができる。
（i）排水バルブ９６、９４を開き淡水と原水を排出する。
（ii）排水バルブ９６、９４を閉じる。
（iii）給水バルブ９２を開き、原水タンクに原水を入れる。
（iv）給水バルブ９２を閉める。
（v）排気ポンプ３６を動かし本発明の装置１０の内部を減圧する。
（vi）水蒸気ポンプ２０、原水循環ポンプ２６を動作させる。
（vii）淡水タンクに淡水が所定量蓄えられたら、排出バルブ９６を開き淡水を排出する。淡水を排出したら排出バルブ９６は閉じる。
（viii）原水タンク内の原水が減ってきたら、給水バルブ９２を開き原水を補給する。原水を補給した後は、給水バルブ９２を閉じる。
（ix）原水タンク内の濃度（塩分）が高くなってきたら排水バルブ９４を開き原水を排出する。原水を排出した後は、排水バルブ９４を閉じる。
その後、（vii）〜（ix）を適宜繰り返す。
なお、排出バルブ９４、９６の下方には、図には明記されていない排出ポンプにより吸引されている。
また、上記（i）〜（ix）の動作は、図示しない制御装置により制御され、オペレータが起動を指示した後は、自動的にそれぞれのステップが実行されるようにするのが好ましい。
【００２６】
＜態様２＞
図２に示す態様２において、本発明の装置６０は、原水タンク６２、水蒸気送出部６４、凝縮部６６、熱交換器６８、原水循環ポンプ７６、原水循環パイプ７８、原水スプレー８４および排気ポンプ８６を有している。また、水蒸気送出部６４は、水蒸気ポンプ７０、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４から構成される。
【００２７】
［原水タンク］
原水タンク６２は、内側の底部に原水５３を溜める機能を備え、内側の上部に原水５３が蒸発してなる水蒸気５５を溜める機能を備える。また、原水タンク６２は、内側の上部に気化器としての原水スプレー８４を有する。また、原水スプレー８４は原水循環パイプ７８を介して、原水タンク６２の底部と繋がっており、原水循環ポンプ７６の作用によって、原水タンク６２の内側の底部に貯まっている原水５３を汲み上げて、原水スプレー８４から原水５３をシャワー状やミスト状等にして放出することができる。
【００２８】
［熱交換器］
熱交換器６８は、原水タンク６２の内部に設置されている。また、熱交換器６８は後述する凝縮部６６と繋がっていて、凝縮部６６内の水蒸気５５’が熱交換器６８内へ移動できるように構成されている。
熱交換器６８は、凝縮部６６内から移動してきた水蒸気５５’が備える熱エネルギーを原水５３に付与する。また、熱交換器６８は、原水スプレー８４から熱交換器６８の上面へスプレーされた原水５３へ熱エネルギーを供給する。その結果、原水５３は熱交換器６８の表面において熱エネルギーを得ることで温度が上昇する。温度が上昇した原水５３は水蒸気となり易い。また、後述する排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水５３は蒸気化しやすい。
【００２９】
［凝縮部］
凝縮部６６は管状のものであり、その内部に、水蒸気送出部６４から送出され温度が高められた水蒸気５５’を取り入れることができる。取り入れた水蒸気５５’は熱交換器６８へ達し、ここで原水５３へ熱エネルギーを供給し、水蒸気５５’は冷却され凝縮されて淡水５７となる。熱交換器６８内で生成された淡水５７は、熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路内を流れて、凝縮部６６の底部に取り付けられた淡水タンクに貯まる。図２に示すように、淡水タンクは熱交換器６８に対して下に配置されており、かつ熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路が熱交換器６８から淡水タンクへ向かって徐々に低位になるように斜めの勾配をもって配置されているので、熱交換器６８の付近で生じた淡水５７は、重力の作用によって淡水タンクへ流れていく。
淡水タンクの底部には淡水取出口９６があり、ここから淡水５７を排出することができる。
【００３０】
また、凝縮部６６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ８６が排気パイプ８５を介して接続されている。排気ポンプ８６は凝縮部６６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク６２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。つまり、排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間の圧力、凝縮部６６の内側の上部空間の圧力、水蒸気入力パイプ７２の内部の圧力、および水蒸気出力パイプ７４の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ７０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気５５および５５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ８６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００３１】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部６４の一部を構成する水蒸気入力パイプ７２は、原水タンク６２の内側の上部空間と水蒸気ポンプ７０とを繋いでおり、また、水蒸気出力パイプ７４は、水蒸気ポンプ７０と、後述する凝縮部６６の内側の上部空間とを繋いでいる。つまり、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４は、原水タンク６２と凝縮部６６とを接続する接続部を構成する。そして、水蒸気ポンプ７０の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間に存在する水蒸気５５を吸引して、凝縮部６６の内側の上部空間へ送出することができる。ここで、水蒸気入力パイプ７２の内部にフィルタ９０が設置されていて、これによって水蒸気５５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
【００３２】
次に、態様２の動作を、図２を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク６２内の原水５３は、原水循環パイプ７８を通って原水スプレー８４に達し、ここから熱交換器６８の上面へ向かって排出される。そして、熱交換器６８の上面において気化され、水蒸気５５が発生する。ここで、熱交換器６８は原水タンク６２の底に溜まっている原水５３と接しているので、底にたまっている原水５３もある程度温度が高まっており、気化しやすくなっている。また、排気ポンプ８６の作用によって、原水タンク６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水５３は蒸気化しやすくなっている。例えば原水タンク６２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
【００３３】
次に、水蒸気ポンプ７０の作用によって水蒸気５５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気５５’となる。例えば、原水タンク６２の内側の上部に存在する水蒸気５５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ７０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気５５’とすることができる。
水蒸気５５は、水蒸気入力パイプ７２および水蒸気出力パイプ７４を通って、凝縮部６６の内部の上部空間に達する。そして、少なくともその一部が淡水５７となる。
温度が高められた水蒸気５５’および／または淡水５７は、保有する熱エネルギーを、熱交換器６８を介して原水５３に付与する。熱エネルギーを原水５３に付与した水蒸気５５’は淡水５７となる。
そして、淡水５７は、凝縮部６６の内部の底に貯まる。
【００３４】
＜態様３＞
図３に示す態様３は、前述の態様２と類似する態様である。図３では、図２に示した態様２と同じ構成を意味するものには、同じ記号を付している。
態様３については、態様２と異なるところのみを説明する。
【００３５】
態様２では、水蒸気５５’は熱交換器６８と凝縮部６６とを繋ぐ経路中を移動し、下方から上方の熱交換器６８の内部へ達するが、これに対して態様３では、水蒸気５５’は上方から熱交換器６８の内部へ達し、下方へ通り抜けるように構成されている。
その他の構成および動作については、態様２と同様である。
【００３６】
＜態様４＞
図４に示す態様４において、本発明の装置１６０は、原水タンク１６２、水蒸気送出部１６４、凝縮部１６６、熱交換器１６８、原水循環ポンプ１７６、原水循環パイプ１７８、原水スプレー１８４および排気ポンプ１８６を有している。また、水蒸気送出部１６４は、水蒸気ポンプ１７０および接続部１７３から構成される。
【００３７】
［原水タンク］
原水タンク１６２は、内側の底部に原水１５３を溜める機能を備え、内側の上部に原水１５３が蒸発してなる水蒸気１５５を溜める機能を備える。また、原水タンク１６２は、内側の上部に気化器としての原水スプレー１８４を有する。また、原水スプレー１８４は原水循環パイプ１７８と繋がっていて、原水循環ポンプ１７６の作用によって、原水タンク１６２の内側の底部に貯まっている原水１５３を汲み上げて、原水スプレー１８４から原水１５３をシャワー状やミスト状等にして放出することができる。
【００３８】
［熱交換器および凝縮部］
熱交換器１６８は、原水タンク１６２の内部に設置されている。
熱交換器１６８は、図４に示すように、ノコギリ歯状であって直線が何度も折れ曲がっている形態、またはパイプを螺旋状に巻いた形態となっている。このような形態であると水蒸気１５５および／または原水１５３との接触面積が増大し、熱交換器として熱交換率が高まるので好ましい。また、図４に示すように、さらに放熱板１６９を有すると、熱交換率がより高まるのでより好ましい。
【００３９】
熱交換器１６８は、管状であり、その内部に水蒸気送出部１６４から送出され温度が高められた水蒸気１５５’を取り入れることができる。取り入れられた水蒸気１５５’は、水蒸気１５５および／または原水１５３へ熱エネルギーを供給し、水蒸気１５５’は冷却されることで凝縮されて淡水１５７となる。熱交換器１６８内で生成された淡水１５７は、凝縮部１６６の一部である淡水タンクに貯まる。図４に示すように、淡水タンクは凝縮部１６６の下部に配置されているので、淡水１５７は重力の作用によって淡水タンクへ流れていく。
【００４０】
また、凝縮部１６６には、その内側の上部空間を減圧することができる排気ポンプ１８６が排気パイプ１８５を介して接続されている。排気ポンプ１８６は凝縮部１６６の内側の上部空間内の気体を排気することで圧力を低下させ、その結果、原水タンク１６２の内側の上部空間における圧力を低下させることができる。つまり、排気ポンプ１８６の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間の圧力、凝縮部１６６の内部、熱交換器１６８の内部、および接続部１７３の内部の圧力を飽和水蒸気圧として、水蒸気ポンプ１７０の効率を高めることができる。さらに、水蒸気１５５および１５５’に不要成分が含まれる場合でも、排気ポンプ１８６の作用によって、これを系外へ排出し、除去することができる。
【００４１】
［水蒸気送出部］
水蒸気送出部１６４の一部を構成する接続部１７３は、原水タンク１６２の内側の上部空間と熱交換器１６８の内部とを繋いでいる。そして、水蒸気ポンプ１７０の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間に存在する水蒸気１５５を吸引して、熱交換器１６８の内部へ送出することができる。ここで、接続部１７３の入側（水蒸気ポンプ１７０の前段）にフィルタ１９０が設置されていて、これによって水蒸気１５５に含まれる不純物や異物、塩等を除去することができる。
また、態様４において水蒸気ポンプ１７０は遠心ファンであることが好ましい。
【００４２】
次に、態様４の動作を、図４を参照しながら説明する。
初めに、原水タンク１６２内の原水１５３は原水循環パイプ１７８を通って原水スプレー１８４に達し、ここから排出される。そして、排出された原水１５３は、熱交換器１６８の表面等において気化され、水蒸気１５５となる。ここで、熱交換器１６８は原水タンク１６２の底に溜まっている原水１５３と接しているので、底にたまっている原水１５３もある程度温度が高まっており、気化しやすくなっている。また、排気ポンプ１８６の作用によって、原水タンク１６２の内側の上部空間は圧力が低くなっているので、原水１５３は蒸気化しやすい。例えば原水タンク１６２の内側の上部空間を２０〜３０ｈＰａとすることができる。
【００４３】
次に、水蒸気ポンプ１７０の作用によって水蒸気１５５が吸引され、圧縮されて、温度が高められた水蒸気１５５’となる。例えば、原水タンク１６２の内側の上部に存在する水蒸気１５５が２０℃、２３ｈＰａである場合、水蒸気ポンプ１７０を通過させて圧縮することで、３０℃、４２ｈＰａの水蒸気１５５’とすることができる。
水蒸気１５５’は熱交換器１６８の内部を通過して、少なくともその一部が淡水１５７となる。
温度が高められた水蒸気１５５’および／または淡水１５７は、保有する熱エネルギーを、熱交換器１６８を通過する過程で原水１５３に付与する。熱エネルギーを原水１５３に付与した水蒸気１５５’は淡水１５７となる。
そして、淡水１５７は、凝縮部１６６下部の淡水タンクに貯まる。
【００４４】
なお、態様１〜態様４における原水タンク１２、原水タンク６２および原水タンク１６２において、原水を気化させる熱は、凝縮部１６、凝縮部６６および凝縮部１６６（熱交換器１６８）からの熱だけでなく、外気、湯水、熱水、太陽熱、燃焼等他の外部からの熱源を利用することもできる。
また、態様１〜態様４における本発明の装置１０、本発明の装置６０および本発明の装置１６０の全体を断熱材等で覆い、熱を外部へ逃がさないようにすることが好ましい。少なくとも水蒸気出力パイプ２４および７４ならびに接続部１７３を断熱材等で覆うことが好ましい。
【００４５】
態様１〜４においては、排気ポンプ３６、８６および１８６の作用によって、原水タンク１２、６２および１６２の内側の上部空間内の圧力を低下させているが、本発明の装置においては、排気ポンプを有さないものであってもよい。この場合、原水を蒸発させるために原水が１００℃以上となるように加熱する必要があるが、得られる淡水は煮沸消毒されたものであるので、飲料水として利用する上で好ましい。
【００４６】
このような態様１〜態様４を好適態様とする本発明の装置は、エネルギー効率が高く、コストが低く、装置を小型化することができる淡水化装置である。また、本発明の装置は上記のような構成であるので小型化することができるが、逆に大型化することもできる。さらに、小型の本発明の装置を複数台並列に設置して、得られる淡水の量を増大させることもできる。
【実施例】
【００４７】
本発明の実施例について説明する。本発明は以下に説明する実施例に限定されない。
【００４８】
図１に示した態様１の本発明の装置を用いて淡水を製造した。
具体的には、次のような性状、仕様等のものを用いた。
・原水タンク ：タンク状のものであり、容量が１０ｍ3程度のもの。
・凝縮部（タンク） ：タンク状のものであり、容量が１ｍ3以上のもの。
・原水 ：２０℃の海水、１ｍ3
・水蒸気ポンプ ：排気容量 １０００ｍ3／分
：タービン電気容量 ４０ｋＷ以上のもの。
・原水循環ポンプ ：循環量 １８００Ｌ／分
・熱交換器 ：熱交換容量 ６３０ｋＷｈ
：熱交換銅板厚 １ｍｍ
：熱交換銅板表面積 ３ｍ2以上のもの。
このような態様１の本発明の装置は、１時間で１ｍ3の原水を処理できる性能を備えるものである。
【００４９】
上記のような性状、仕様等を備える本発明の装置を用いて原水を処理したところ、熱交換器の出側における原水の温度（原水リターンパイプ内における原水３’の温度）は２５℃となった。また、原水スプレーによって発生し、原水タンクの内側の上部空間内に貯留した水蒸気の温度は２０℃、圧力は２３ｈＰａとなった。また、凝集部の内部の上部空間に存する水蒸気は温度が３０℃、圧力が４２ｈＰａとなった。
そして、このようにして１ｍ3の原水を１時間処理して、３０℃の淡水を得ることができた。
【００５０】
以上、本発明の淡水化装置および淡水の製造方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。
【符号の説明】
【００５１】
３，３’，５３，１５３ 原水
５，５’，５５，５５’，１５５，１５５’ 水蒸気
７，５７，１５７ 淡水
１０，６０，１６０ 本発明の装置
１２，６２，１６２ 原水タンク
１４，６４，１６４ 水蒸気送出部
１６，６６，１６６ 凝縮部
１８，６８，１６８ 熱交換器
２０，７０，１７０ 水蒸気ポンプ
２２，７２ 水蒸気入力パイプ
２４，７４ 水蒸気出力パイプ
２６，７６，１７６ 原水循環ポンプ
２８，３０，７８，１７８ 原水循環パイプ
３２ 原水リターンパイプ
３４，８４，１８４ 原水スプレー
３５，８５，１８５ 排気パイプ
３６，８６，１８６ 排気ポンプ
４０，９０，１９０ フィルタ
９２ 原水注入口
９４ 原水取出口
９６ 淡水取出口
１７３ 接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、
前記原水を貯留する原水タンクと、
前記原水タンク内に設置され、前記原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、
前記水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、
前記原水タンク内から前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を前記凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、前記原水タンクと前記凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、
前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する熱交換器と、
を有し、前記熱交換器が前記原水の気化を促進する役割を果たす淡水化装置。
【請求項２】
前記熱交換器が前記凝縮部の内部に設置されており、さらに、
前記原水タンク内の前記原水を前記熱交換器へ送る原水送出手段と、
前記熱交換器を介して熱エネルギーが付与された後の原水を、前記気化器へ送る原水リターン手段と、
前記原水タンク内の前記原水を前記原水送出手段によって前記熱交換器へ送り、さらに前記原水リターン手段によって前記気化器へ送る原水循環手段と、
を有する、請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項３】
前記熱交換器が前記原水タンクの内部に設置されており、
前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気を、前記凝縮部から前記熱交換器内へ移動させることができる構造、または前記熱交換器内を経由して前記凝縮部へ移動させることができる構造を備えており、
さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記気化器へ送るための原水送出手段および原水循環手段を有する、請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項４】
前記水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または前記凝縮部に、前記原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを、さらに有する、請求項１〜３のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項５】
原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を得る淡水の製造方法であって、
前記原水を気化させて水蒸気を得る工程と、
前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を得る工程と、
前記温度が高められた水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する工程と、
前記温度が高められた水蒸気を凝縮させて淡水を得る工程と、
を備え、前記原水へ前記熱エネルギーを付与することで前記原水の気化を促進する、淡水の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の淡水化装置を用いて行う、請求項５に記載の淡水の製造方法。
【請求項１】
原水を蒸発させた後、凝縮して淡水を生成する淡水化装置であって、
前記原水を貯留する原水タンクと、
前記原水タンク内に設置され、前記原水を気化させて水蒸気を生成する気化器と、
前記水蒸気を凝縮させて淡水を得る凝縮部と、
前記原水タンク内から前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を前記凝縮部へ送出する水蒸気ポンプが、前記原水タンクと前記凝縮部とを接続する接続部に設けられた水蒸気送出部と、
前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する熱交換器と、
を有し、前記熱交換器が前記原水の気化を促進する役割を果たす淡水化装置。
【請求項２】
前記熱交換器が前記凝縮部の内部に設置されており、さらに、
前記原水タンク内の前記原水を前記熱交換器へ送る原水送出手段と、
前記熱交換器を介して熱エネルギーが付与された後の原水を、前記気化器へ送る原水リターン手段と、
前記原水タンク内の前記原水を前記原水送出手段によって前記熱交換器へ送り、さらに前記原水リターン手段によって前記気化器へ送る原水循環手段と、
を有する、請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項３】
前記熱交換器が前記原水タンクの内部に設置されており、
前記水蒸気ポンプから送出された水蒸気を、前記凝縮部から前記熱交換器内へ移動させることができる構造、または前記熱交換器内を経由して前記凝縮部へ移動させることができる構造を備えており、
さらに、前記原水タンク内の前記原水を前記気化器へ送るための原水送出手段および原水循環手段を有する、請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項４】
前記水蒸気送出部における水蒸気ポンプよりも後段に、または前記凝縮部に、前記原水タンクの内部を減圧するための排気ポンプを、さらに有する、請求項１〜３のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項５】
原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を得る淡水の製造方法であって、
前記原水を気化させて水蒸気を得る工程と、
前記水蒸気を吸引し、圧縮し、温度が高められた水蒸気を得る工程と、
前記温度が高められた水蒸気および／または前記淡水が備える熱エネルギーを前記原水に付与する工程と、
前記温度が高められた水蒸気を凝縮させて淡水を得る工程と、
を備え、前記原水へ前記熱エネルギーを付与することで前記原水の気化を促進する、淡水の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の淡水化装置を用いて行う、請求項５に記載の淡水の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２３９９５６（Ｐ２０１２−２３９９５６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１０４５７（Ｐ２０１１−１１０４５７）
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（３９００２９０１２）株式会社エスイー (28)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１０日（２０１２．１２．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１７日（２０１１．５．１７）
【出願人】（３９００２９０１２）株式会社エスイー (28)
【Ｆターム（参考）】
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