淡水化装置
【課題】低コストで製造することができるとともに、従来に比べ、エネルギーロスが少なく、海水や汚染水等の原水から効率のよく蒸留水を得ることができる淡水化装置を提供することを目的としている。
【解決手段】蒸発缶２aの内部を、伝熱板22を介して上下方向に仕切ることによって２つの蒸留室20a,20bを形成し、下段の蒸留室20aに供給された原水W1を加熱する加熱手段３を設け、上段の蒸留室20bにこの蒸留室20b内の水蒸気を凝縮させる冷却手段４を設けるとともに、下段の蒸留室20aで発生した水蒸気を下段の蒸留室20aの天井面を構成する伝熱板22の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板22を介して上段の伝熱板20ｂ上で受けられた原水W1に伝わるようにした
【解決手段】蒸発缶２aの内部を、伝熱板22を介して上下方向に仕切ることによって２つの蒸留室20a,20bを形成し、下段の蒸留室20aに供給された原水W1を加熱する加熱手段３を設け、上段の蒸留室20bにこの蒸留室20b内の水蒸気を凝縮させる冷却手段４を設けるとともに、下段の蒸留室20aで発生した水蒸気を下段の蒸留室20aの天井面を構成する伝熱板22の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板22を介して上段の伝熱板20ｂ上で受けられた原水W1に伝わるようにした
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水・塩分を含んだ水・工業排水などの原水から蒸留法により淡水を得る淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水資源の枯渇問題を受け、全世界的に淡水化技術への関心が高まっている。現在工業的に主流となっている淡水化方法は、熱源によって原水を蒸発させ、発生した水蒸気を凝縮させることによって凝縮水、すなわち、蒸留水を得るいわゆる蒸発法と、逆浸透膜を通して原水を高圧でろ過することによって脱塩された淡水を得るいわゆる膜ろ過法が存在する。蒸発法のうち、容器内を減圧し、蒸留室を多重化したいわゆる多重効用減圧蒸留方式（MED）は太陽熱のエネルギーを直接的に利用できるほか、ヒートポンプなどの熱源を利用して効率的に淡水化できる可能性があることから、近年盛んに研究されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、多重効用減圧蒸留においてエネルギー効率の指標として、蒸留成績係数（Coefficient Of Performance of Distillation、以下、「ＣＯＰＤ」と記す）がある。
すなわち、ＣＯＰＤとは、以下の式（1）で求めることができ、２重効用（蒸発缶が２つ）の場合、最大で２となる。
【０００４】
【数１】
（式（１）中、Lは蒸発潜熱 [kJ・kg-1] 、ΣMoutは蒸留水量 [kg]、ΣQinは供給熱量 [kJ]をあらわす。）
【０００５】
しかしながら、非特許文献１や特許文献１のようなシェルアンドチューブ型の熱交換器を用いて高いエネルギー効率を実現するためには、チューブの全長を長くとるとともに、チューブには高価なチタンを用いる必要があり、装置が複雑になるとともに装置の製造コストの面で問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６９８７３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K. Uda et al., 1994 ASME/JSME/JSES International Solar Energy Conf, ASME Book, No.00837, 513-519 (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みて、従来に比べ、低コストで製造することができるとともに、エネルギーロスが少なく、海水や汚染水等の原水から効率のよく蒸留水を得ることができる淡水化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明にかかる淡水化装置は、２つ以上の蒸留室を備え、各蒸留室内に原水を供給するとともに減圧状態にして、１つの蒸留室内の原水を加熱手段によって加熱して、原水中の水を蒸発させる一方、前記１つの蒸留室以外の蒸留室内に設けられた原水の加熱源として他の蒸留室で発生した水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱を用いるようにした淡水化装置であって、蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成し、最下段の蒸留室に供給された原水を加熱する加熱手段を設け、最上段の蒸留室にこの蒸留室内の水蒸気を凝縮させる冷却手段を設けるとともに、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明において、蒸発缶の材質は、特に限定されないが、蒸留室内が外部雰囲気の影響を受けないように、断熱性のできるだけ高い方が好ましいこと、また、装置の軽量化や低コスト化を考慮すると、樹脂が好ましい。
蒸発缶を形成する樹脂としては、特に限定されないが、例えば、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、これらの発泡体、繊維強化体、これらの複合体が挙げられ、補強材として金属材料を組み合わせても構わない。
【００１１】
伝熱板の材質としては、熱伝導性の高いものが好ましく、銅、アルミニウム、銀、これらの合金が挙げられ、コスト及び熱伝導性を考慮すると銅が好ましい。
伝熱板は、特に限定されないが、その下面が水平面に対し傾斜していることが好ましい。すなわち、傾斜によって伝熱板の下面で凝縮した凝縮水が伝熱板の下面に沿って下流側に流れる。そして、下流側に凝縮水の受けを設けておくことによって容易に凝縮水を回収することができる。
【００１２】
伝熱板は、伝熱面積を大きくするために、波板状としてもよいし湾曲させるようにしても構わない。
伝熱板は、伝熱面積を大きくするため、あるいは、伝熱板上面に受けられた原水の沸騰を促進させるために粗面化しても構わない。
【００１３】
また、伝熱板の下面は、親水化されていることが好ましい。すなわち、凝縮した水の水滴が、伝熱板の下面を覆ってしまうと、凝縮により発生する凝縮熱が伝熱板上面に受けられた上の段の蒸留室内の原水に伝わりにくくなる。そこで、凝縮して発生した水滴が伝熱板の下面からすぐに流れ落ちるよう、凝縮面は親水化する。
伝熱板を親水化する方法としては、金属板を親水化できる方法であれば、特に限定されないが、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、レーザー照射、電子線照射、化学処理（エッチング）、コーティング（無機親水化処理剤、有機親水化処理剤、光触媒塗料）などが挙げられる。
【００１４】
なお、伝熱板の下面は、水平面に対して傾斜していることが好ましい。すなわち、凝縮して発生した水滴が傾斜により伝熱板の下面に沿って傾斜の下流側に流れ、凝縮した水の水滴が、伝熱板の下面を覆ってしまうことを防止できる。また、凝縮した水滴が傾斜の下流側で纏まるため、凝縮水を回収しやすくなる。
伝熱板の下面を傾斜させる方法としては、特に限定されず、蒸発缶そのものを傾斜させる方法、伝熱板として、下面が傾斜構造（例えば、中央から周壁に向かって、徐々に下がる湾曲面なども含む）となったものを用いる方法、伝熱板が傾斜した状態で蒸発缶内を伝熱板によって仕切る方法などが挙げられる。
【００１５】
伝熱板の上面は、撥水処理されていることが好ましい。すなわち、伝熱板の上面が撥水化処理されていると、伝熱板の上面での原水の沸騰が活発におこり、よりエネルギー効率よく水蒸気を発生させることができる。
撥水処理の方法としては、特に限定されないが、フッ素系処理、有機ケイ素化合物処理、電子線照射などが挙げられる。
【００１６】
本発明の淡水化装置は、特に限定されないが、各蒸留室の原水溜まり部と、伝熱板との間に原水の沸騰によって発生する原水飛沫が、凝縮水に混入することを防止するトラップを設けることが好ましい。
トラップの構造は、不純物を含む原水飛沫が、凝縮水に混入することを防止できれば特に限定されないが、水蒸気が効率よく伝熱板に到達して、伝熱板で凝縮した水滴を効率よく回収できることから、例えば、中央に通気孔を有する上に向かって凸の略傘形をしていて、トラップ上面が凝縮水の受け部となっている構造とすることが好ましい。
【００１７】
上記通気孔の孔径は、孔径が大きすぎると伝熱板で凝縮した液滴が再び原水に戻ってしまう可能性があり、逆に小さすぎると原水から発生した水蒸気が伝熱板側に移動することを阻害する。しかし、蒸発缶の口径やトラップの傘形の傾斜角度等によって、最適な径が異なるため、最適な口径は、適宜経験的に求められる。
また、トラップの通気孔と原水の水面との間隔が狭く、原水の飛沫が凝縮水に混入する可能性がある場合、上記トラップの通気孔部分には、さらに、デミスタを設けるようにしてもよい。
【００１８】
本発明の淡水化装置は、各蒸留室内が減圧されるようになっているが、蒸留室内の圧力は、特に限定されないが、不凝縮ガスが排気され、５ｋPa程度の水の飽和蒸気圧力に程度まで減圧することが好ましい。
本発明の淡水化装置は、最も下段の蒸留室の原水は、加熱手段によって加熱される。この加熱手段の熱源としては、特に限定されないが、例えば、電気ヒーター、太陽熱、廃熱、ヒートポンプ、等が挙げられ、エネルギーコストを考慮すると太陽熱、廃熱やヒートポンプが好ましい。
ちなみに、ヒートポンプの場合、下段の蒸留室に加熱側を配置し、上段の蒸留室に冷却側を配置すれば、冷却装置を別途設ける必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかる淡水化装置は、以上のように、蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成しただけの単純な構造であるため、低コストで製造できる。
そして、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたので、凝縮熱が効率よく直上の蒸留室内の原水に伝わり、少ない消費エネルギーで原水を高効率に蒸留できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態を模式的にあらわす図である。
【図２】本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態を模式的にあらわす図である。
【図３】試験例１において測定した蒸発収量を対比してあらわすグラフである。
【図４】試験例１において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【図５】試験例２において測定した蒸発収量を対比してあらわすグラフである。
【図６】試験例２において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【図７】試験例３において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態をあらわしている。
図１に示すように、この淡水化装置１aは、蒸発缶２aと、加熱手段３と、冷却手段４と、減圧手段５と、を備えている。
【００２２】
蒸発缶２aは、上下が天板２１ａと底板２１ｂとによって閉じられた円筒状をしている合成樹脂製の本体２１が、その内部を伝熱板２２によって蒸留室２０ａと蒸留室２０ｂに仕切られている。
伝熱板２２は、銅などの高熱伝導材料からなり、上下面が粗面化されているとともに上面が撥水処理され、下面が親水化処理されている。
各蒸留室２０ａ，２０ｂは、トラップ２３によって上下が仕切られている。
【００２３】
トラップ２３は、特に限定されないが、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート等の合成樹脂で形成されていて、中央部に通気孔２３ａが穿設されるとともに中央部から周縁部に向かって徐々に低くなる略傘形状をしている。
トラップ２３の通気孔２３ａ部分は、デミスタ２４が設けられている。
デミスタ２４は、デミスタ本体２４ａと、邪魔板２４ｂとを備えている。
デミスタ本体２４ａは、金属製の網から形成した通気孔２３ａと略同径の筒状をしている。
デミスタ本体２４ａを構成する網の目の大きさは、水蒸気がスムーズに通過するとともに、原水飛沫が通過できない大きさに設定されている。
邪魔板２４ｂは、デミスタ本体２４ａの筒の下端を塞ぎ、原水Ｗ１の沸騰によって発生する原水Ｗ１の飛沫がデミスタ本体２４ａ内に入り込まないように邪魔するようになっている。
なお、トラップの通気孔と原水の水面との間隔が広いなど、原水の飛沫が凝縮水に混入する可能性がない場合には設けなくても構わない。
【００２４】
各蒸留室２０ａ，２０ｂのトラップ２３より下側の周壁には、原水供給管７ａとドレン管７ｂとが接続されている。
原水供給管７ａは、図示していないが、原水タンクに接続されていて、原水タンクから海水や汚濁水等の原水Ｗ１を蒸留室２０ａ，２０ｂ内に供給するようになっている。
ドレン管７ｂは、蒸留によって濃縮された濃縮水及びこの濃縮水に含まれる固形物を蒸留室２０ａ，２０ｂから排出するようになっている。
【００２５】
加熱手段３は、最下段の蒸留室２０ａの底に沿って設けられた熱交換用配管３１と、この熱交換用配管に熱媒体を供給する熱媒体供給手段（図示せず）とを備えている。
熱交換用配管３１は、ステンレス鋼などの耐食性に優れた金属材料から形成されていて、蒸留室２０ａの底に沿って蛇行するように、あるいは、渦状に設けられている。
【００２６】
冷却手段４は、最上段の蒸留室（この実施の形態では、２段目の蒸留室）２０ｂの天井に沿って設けられた冷却管４１と、この冷却管４１に冷媒を循環させるチラーユニット（図示せず）とを備えている。
冷却管４１は、ステンレス鋼などの耐食性に優れた金属材料から形成されていて、蒸留室２０ｂの天井に沿って蛇行するように、あるいは、渦状に設けられている。
【００２７】
減圧手段５は、真空ポンプ５ａと、吸引配管５ｂとを備えている。
吸引配管５ｂは、２つの分岐管路５１，５１に分岐されている。
一方の分岐管路５１は、下段の蒸留室２０ａのトラップ２３の最も低くなった部分を臨む位置で、その一端が蒸留室２０ａと接続されている。
他方の分岐管路５１は、上段の蒸留室２０ｂのトラップ２３の最も低くなった部分を臨む位置で、その一端が蒸留室２０ｂと接続されている。
【００２８】
そして、両分岐管路５１は、それぞれ上流側（蒸留室２０ａ，２０ｂ側）と、下流側（真空ポンプ５ａ側）とが中間に設けられた凝縮水溜め容器５１ａを介して分離されていて、蒸留室２０ａ，２０ｂのトラップ２３の上に溜まった凝縮水Ｗ２が蒸留室２０ａ，２０ｂから吸引されて凝縮水溜め容器５１ａに溜まるが、蒸留室２０ａ，２０ｂ内から吸引された空気は凝縮水溜め容器５１ａの上部空間を通り、真空ポンプ５ａ側へ排気されるようになっている。
図１中、６は圧力計である。
【００２９】
つぎに、この淡水化装置１aを用いた原水Ｗ１の淡水化方法の原理を詳しく説明する。
この淡水化装置１aを用いた原水Ｗ１の淡水化方法は、まず、原水供給管７ａを介して蒸留室２０ａ，２０ｂ内にそれぞれ所定のレベルまで原水Ｗ１を供給する。
そして、真空ポンプ５ａを稼働して各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を不凝縮ガスが排気され、５kPa程度の水の環境温度付近における飽和蒸気圧力になるまで減圧する。
また、同時に加熱手段３によって下段の蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１を加熱する。この加熱によって、蒸留室２０ａ内は、不凝縮ガスが排気され、５kPa程度の水の環境温度付近における飽和蒸気圧力に減圧されているため、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１は環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰が起こり、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１中の水が水蒸気となって蒸発する。
蒸留室２０ａ内で、蒸発した水蒸気は、図１において矢印で示すように、デミスタ２４を介してトラップ２３の中央に設けられた通気孔２３ａを通り、蒸留室２０ａのトラップ２３の上方空間内で拡散して伝熱板２２の下面全体に接触する。
伝熱板２２の下面に接触した水蒸気は、伝熱板２２の下面で凝縮する。そして、凝縮水Ｗ２がトラップ２３上面に受けられ、トラップ２３の傾斜によって蒸発缶２aの内壁面に沿う部分に溜まる。
トラップ２３上面に溜まった凝縮水Ｗ２は、分岐管路５１を介して凝縮水溜め容器５１ａに吸引されて溜められる。
【００３０】
一方、水蒸気の凝縮によって、凝縮熱が発生するが、この凝縮熱は、伝熱板２２を介して伝熱板２２の上面に受けられた上段の蒸留室２０ｂの原水Ｗ１に伝わる。
上段の蒸留室２０ｂ側の原水Ｗ１は、伝熱板２２を介して伝わる凝縮熱によって加熱され、下段の蒸留室２０ａの原水Ｗ１と同様に、環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰して、原水Ｗ１中の水が水蒸気となって蒸発する。
このようにして上段の蒸留室２０ｂで発生した水蒸気は、図１において矢印で示すように、デミスタ２４を介してトラップ２３の中央に設けられた通気孔２３ａを通り、蒸留室２０ｂのトラップ２３の上方空間内で拡散し、冷却手段４によって冷却されて凝縮する。そして、凝縮水Ｗ２がトラップ２３上面に受けられ、トラップ２３の傾斜によって蒸発缶２aの内壁面に沿う部分に溜まる。
トラップ２３上面に溜まった凝縮水Ｗ２は、分岐管路５１を介して凝縮水溜め容器５１ａに吸引されて溜められる。
【００３１】
この淡水化装置１aは、以上のように、蒸発缶２a内を伝熱板２２で上下方向に仕切るだけの簡単な構造であるので、低コストで製造できる。
しかも、下段の蒸留室２０ａ内で発生した水蒸気が凝縮することのよって発生する凝縮熱が伝熱板２２を介して直ちに上段の蒸留室２０ｂの原水Ｗ１の加熱に用いられるのでエネルギー効率がよい。
また、不凝縮ガスが排気されるとともに、５kPa程度の水の飽和蒸気圧力に減圧され、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１は環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰が起こるので、蒸発缶２aを熱に弱い合成樹脂で形成しても蒸発缶２aが熱変形を起こすといった問題がない。
また、蒸発缶２aを合成樹脂で形成したので、金属材料に比べ、熱伝導性が低く、環境への熱損失および温度上昇による顕熱損失を抑制することができるとともに、装置全体の軽量化を図ることができる。
【００３２】
図２は本発明にかかる淡水化装置の第２の実施の形態をあらわしている。
図２に示すように、この淡水化装置１ｂは、蒸発缶２ｂ内が２つの伝熱板２２を介して３つの蒸発室２０c〜２０e に仕切られていて、最下段の蒸発室２０ｃに加熱手段３を備え、最上段の蒸発室２０eに冷却手段４が設けられ、中段の蒸発室２０ｄには加熱手段３及び冷却手段４が設けられていないとともに、蒸発缶２ｂが蒸発缶２ｂの底板２１ｂの下方にスペーサ８を設けて、伝熱板２２の下面が水平面に対して一方向（この実施の形態では、図２で左方向に）に向かって５度程度の下り勾配となるように保持されている以外は、上記淡水化装置１ａと同様になっている。
【００３３】
この淡水化装置１ｂは、上記のように伝熱板２２の下面が水平面に対して一方向に向かって５度程度の下り勾配となるように保持されているので、伝熱板２２の下面で凝縮した凝縮水Ｗ２は、伝熱板２２の下面に沿って下り方向側に直ちに流れる。したがって、伝熱板２２の下面において常に安定して水蒸気の凝縮が行われる。
【００３４】
本発明は、上記の実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施の形態では、加熱手段として、熱交換器を最下段の蒸留室内に設けているが、最下段の蒸留室の底を伝熱板として、この伝熱板と蒸発缶の底との間に加熱媒体の充填可能な空間を設け、この空間内に加熱媒体を循環させて加熱するようにしても構わない。また、蒸留室は３段以上設けるようにしても構わない。
【００３５】
以下に、本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。
〔試験ユニットの作製〕
デミスタ２４を設けなかった以外は、図１に示す淡水化装置１ａと同様の形状をした上下２段の蒸留室２０ａ，２０ｂを備え、各部が以下の材質及び寸法条件の淡水化装置の試験ユニットＡ〜Ｊを作製した。
【００３６】
（試験ユニットＡ）
〔蒸発缶２ａ〕
材質：透明塩化ビニル樹脂
形状及び大きさ：肉厚１０ｍｍ、内径４００ｍｍの円筒状で、底板２１ｂ上面から天板２１ａ下面までの高さが５００ｍｍである円筒形状
〔伝熱板２２〕
材質：銅平板
大きさ：伝熱面積０．１３ ｍ2、肉厚０．５ ｍｍ
仕切り位置：蒸発缶２aの底板上面から２００ｍｍの高さ位置
〔下段の蒸留室２０ａのトラップ２３〕
材質：ポリ塩化ビニル
傾斜角度：１０°
通気孔径：内径１００ｍｍ
最下端の高さ位置：蒸発缶２aの底板２１ｂ上面から１００ｍｍの高さ位置
〔上段の蒸留室２０ｂのトラップ２３〕
材質：ポリ塩化ビニル
傾斜角度：１０°
通気孔径：内径１００ｍｍ
最下端の高さ位置：伝熱板２２から１００ｍｍの高さ位置
〔加熱手段３〕
最大出力３ｋＷの電気ヒーター
〔冷却手段４〕
伝熱面積０．１２ ｍ2、冷却水循環量２．３ L/minのクーラー
【００３７】
（試験ユニットＢ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００３８】
（試験ユニットＣ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００３９】
（試験ユニットＤ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）に撥水ワックス撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４０】
（試験ユニットＥ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４１】
（試験ユニットＦ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４２】
（試験ユニットＧ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４３】
（試験ユニットＨ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４４】
（試験ユニットＩ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに上面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４５】
（試験ユニットＪ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量塗布し、かつ、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに上面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４６】
（試験例１）
上記試験ユニットＡ〜Ｆのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて５００Ｗの出力に調整した上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水収量）を測定する試験をそれぞれ３回行った。
そして、上記試験例１で求めた各蒸留収量を比較して図３に示すとともに、各蒸留収量から求めたＣＯＰＤを比較して図４に示した。
なお、図３及び図４において、ノーマルは試験ユニットＡ，ヤスリは試験ユニットＢ，ヤスリ+撥水ワックスは試験ユニットＣ，撥水ワックスは試験ユニットＤ，親水ワックスは試験ユニットＥ，ヤスリ+親水ワックスは試験ユニットＦをそれぞれあらわす。
図３及び図４から、本発明の淡水化装置は、ＣＯＰＤの値が大きくエネルギー効率が高いことがよくわかる。
また、伝熱板の下面を粗面化するあるいは親水化すればよりエネルギー効率があがり、粗面化及び親水化を併用すれば安定したエネルギー効率の向上が見られることがよくわかる。
さらに、各試験ユニットＢ〜Ｆの伝熱板２２の下面側（凝縮側）の状態を蒸発缶２aの外側から目視により観察したところ、粗面化した試験ユニットＢ、親水化した試験ユニットＥ、粗面化するとともに親水化した試験ユニットＦについては下面が膜凝縮の様相を呈し、凝縮した水がスムーズに落ち、凝縮が促進されていた。一方、撥水化した試験ユニットＣ，Ｄについては下面が滴状凝縮であった。本来、滴状凝縮は水滴離脱の際に伝熱板２２の下面の凝縮水Ｗ２が拭い去られ、伝熱板２２の下面が露出するというのが特徴であるが、今回の実験では、水滴が発生した場に停滞したままで、離脱することがあまり見受けられなかった。
このことから、伝熱板２２の下面は、粗面化、親水化あるいは粗面化及び親水化することが好ましいと考えられる。
【００４７】
（試験例２）
上記試験ユニットＡ及び試験ユニットＧ〜Ｉのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて５００Ｗの出力に調整した上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水終了）を測定する試験をそれぞれ３回行った。
そして、上記試験例２で求めたで求めた各蒸留収量を比較して図５に示すとともに、各蒸留収量から求めたＣＯＰＤを比較して図６に示した。
なお、図５及び図６において、ノーマルは試験ユニットＡ，ヤスリは試験ユニットＧ，撥水ワックスは試験ユニットＨ，ヤスリ+撥水ワックスは試験ユニットＩをそれぞれあらわす。
図５及び図６から、本発明の淡水化装置が、ＣＯＰＤの値が大きくエネルギー効率が高いことがよくわかる。
また、伝熱板の上面を粗面化するあるいは撥水化すればよりエネルギー効率があがり、粗面化及び撥水化を併用すれば安定したエネルギー効率の向上が見られることがよくわかる。
さらに、上記試験ユニットＧ〜Ｉのそれぞれの試験ユニットについて、各試験ユニットの伝熱板２２の上面側（沸騰側）の状態を蒸発缶２ａの外側から目視により観察したところ、粗面化した試験ユニットＧの場合、沸騰開始直後の気泡の数は少ないものの、定常状態になった際に他に比べて表面上の多くの場所から気泡が発生した。また、撥水化した試験ユニットＨの場合、沸騰開始直後から他と比較して気泡の発生量が多かった。しかし、原水温度が定常状態に達すると沸騰が起こる場所が限られていた。粗面化及び撥水化した試験ユニットＩの場合、上記２つの特徴が現れ、活発に沸騰が起きた。
このことから伝熱板２２の上面は、粗面化及び撥水化することが好ましいと考えられる。
【００４８】
（試験例３）
上記試験ユニットＡ及び試験ユニットＪのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて３００Ｗ〜１０００Ｗまで、１００Ｗ刻みで出力を変化させて上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水終了）を測定する試験をそれぞれ行った。
そして、求められた蒸留収量を元にＣＯＰＤを演算し、その結果を図７に示した。なお、図７中、ｎｏｎ−ｔｒｅａｔｅｄ ｓｕｒｆａｓｅは、試験ユニットＡを、ｔｒｅａｔｅｄ ｓｕｒｆａｓｅは、試験ユニットＪをそれぞれあらわす。
図７に示すように、９００Ｗの熱量を加えた系においては、試験ユニットＪはもちろんのこと、試験ユニットＡにおいてもかなり高いエネルギー効率を得られるとともに、特に試験ユニットＪにおいては、ＣＯＰＤが１．８６と、効率１００％であるＣＯＰＤが２の最大値に略近い高いエネルギー効率が得られることがわかる。また、試験ユニットＪについては、９００Ｗの熱量を加えた系において、蒸留収量が約2.7 L/hで、試験ユニットＡに比べ３３％も蒸留収量が向上していた。
さらに、試験ユニットＪの９００Ｗの熱量を加えた系において、クーラーの入口冷却水温度、クーラーの出口冷却水温度、下段の蒸留室２０ａの原水温度、下段の蒸留室２０ａの水蒸気温度、上段の蒸留室２０ｂの原水温度、上段の蒸留室２０ｂの水蒸気温度、伝熱板２２の下面温度、及び伝熱板２２の上面温度のそれぞれの試験開始から終了までの温度変化を調べたところ、最も高温の下段の蒸留室２０ａの原水温度と、最も低温のクーラー内の冷却水との温度差が最大で約２０℃しかなく、比較的小温度差で高効率な蒸留が行われたと判断できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる淡水化装置は、特に限定されないが、例えば、海水などの淡水化や砒素などに汚染された井戸水等の淡水化に使用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ，１ｂ 淡水化装置
２ａ，２ｂ 蒸発缶
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ 蒸留室
２２ 伝熱板
２３ トラップ
２３ａ 通気孔
２４ デミスタ
３ 加熱手段
４ 冷却手段
５ 減圧手段
Ｗ１ 原水
Ｗ２ 凝縮水
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海水・塩分を含んだ水・工業排水などの原水から蒸留法により淡水を得る淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水資源の枯渇問題を受け、全世界的に淡水化技術への関心が高まっている。現在工業的に主流となっている淡水化方法は、熱源によって原水を蒸発させ、発生した水蒸気を凝縮させることによって凝縮水、すなわち、蒸留水を得るいわゆる蒸発法と、逆浸透膜を通して原水を高圧でろ過することによって脱塩された淡水を得るいわゆる膜ろ過法が存在する。蒸発法のうち、容器内を減圧し、蒸留室を多重化したいわゆる多重効用減圧蒸留方式（MED）は太陽熱のエネルギーを直接的に利用できるほか、ヒートポンプなどの熱源を利用して効率的に淡水化できる可能性があることから、近年盛んに研究されている（特許文献１、非特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、多重効用減圧蒸留においてエネルギー効率の指標として、蒸留成績係数（Coefficient Of Performance of Distillation、以下、「ＣＯＰＤ」と記す）がある。
すなわち、ＣＯＰＤとは、以下の式（1）で求めることができ、２重効用（蒸発缶が２つ）の場合、最大で２となる。
【０００４】
【数１】
（式（１）中、Lは蒸発潜熱 [kJ・kg-1] 、ΣMoutは蒸留水量 [kg]、ΣQinは供給熱量 [kJ]をあらわす。）
【０００５】
しかしながら、非特許文献１や特許文献１のようなシェルアンドチューブ型の熱交換器を用いて高いエネルギー効率を実現するためには、チューブの全長を長くとるとともに、チューブには高価なチタンを用いる必要があり、装置が複雑になるとともに装置の製造コストの面で問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６９８７３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】K. Uda et al., 1994 ASME/JSME/JSES International Solar Energy Conf, ASME Book, No.00837, 513-519 (1994)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みて、従来に比べ、低コストで製造することができるとともに、エネルギーロスが少なく、海水や汚染水等の原水から効率のよく蒸留水を得ることができる淡水化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明にかかる淡水化装置は、２つ以上の蒸留室を備え、各蒸留室内に原水を供給するとともに減圧状態にして、１つの蒸留室内の原水を加熱手段によって加熱して、原水中の水を蒸発させる一方、前記１つの蒸留室以外の蒸留室内に設けられた原水の加熱源として他の蒸留室で発生した水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱を用いるようにした淡水化装置であって、蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成し、最下段の蒸留室に供給された原水を加熱する加熱手段を設け、最上段の蒸留室にこの蒸留室内の水蒸気を凝縮させる冷却手段を設けるとともに、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたことを特徴としている。
【００１０】
本発明において、蒸発缶の材質は、特に限定されないが、蒸留室内が外部雰囲気の影響を受けないように、断熱性のできるだけ高い方が好ましいこと、また、装置の軽量化や低コスト化を考慮すると、樹脂が好ましい。
蒸発缶を形成する樹脂としては、特に限定されないが、例えば、塩化ビニル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、これらの発泡体、繊維強化体、これらの複合体が挙げられ、補強材として金属材料を組み合わせても構わない。
【００１１】
伝熱板の材質としては、熱伝導性の高いものが好ましく、銅、アルミニウム、銀、これらの合金が挙げられ、コスト及び熱伝導性を考慮すると銅が好ましい。
伝熱板は、特に限定されないが、その下面が水平面に対し傾斜していることが好ましい。すなわち、傾斜によって伝熱板の下面で凝縮した凝縮水が伝熱板の下面に沿って下流側に流れる。そして、下流側に凝縮水の受けを設けておくことによって容易に凝縮水を回収することができる。
【００１２】
伝熱板は、伝熱面積を大きくするために、波板状としてもよいし湾曲させるようにしても構わない。
伝熱板は、伝熱面積を大きくするため、あるいは、伝熱板上面に受けられた原水の沸騰を促進させるために粗面化しても構わない。
【００１３】
また、伝熱板の下面は、親水化されていることが好ましい。すなわち、凝縮した水の水滴が、伝熱板の下面を覆ってしまうと、凝縮により発生する凝縮熱が伝熱板上面に受けられた上の段の蒸留室内の原水に伝わりにくくなる。そこで、凝縮して発生した水滴が伝熱板の下面からすぐに流れ落ちるよう、凝縮面は親水化する。
伝熱板を親水化する方法としては、金属板を親水化できる方法であれば、特に限定されないが、例えば、コロナ処理、プラズマ処理、レーザー照射、電子線照射、化学処理（エッチング）、コーティング（無機親水化処理剤、有機親水化処理剤、光触媒塗料）などが挙げられる。
【００１４】
なお、伝熱板の下面は、水平面に対して傾斜していることが好ましい。すなわち、凝縮して発生した水滴が傾斜により伝熱板の下面に沿って傾斜の下流側に流れ、凝縮した水の水滴が、伝熱板の下面を覆ってしまうことを防止できる。また、凝縮した水滴が傾斜の下流側で纏まるため、凝縮水を回収しやすくなる。
伝熱板の下面を傾斜させる方法としては、特に限定されず、蒸発缶そのものを傾斜させる方法、伝熱板として、下面が傾斜構造（例えば、中央から周壁に向かって、徐々に下がる湾曲面なども含む）となったものを用いる方法、伝熱板が傾斜した状態で蒸発缶内を伝熱板によって仕切る方法などが挙げられる。
【００１５】
伝熱板の上面は、撥水処理されていることが好ましい。すなわち、伝熱板の上面が撥水化処理されていると、伝熱板の上面での原水の沸騰が活発におこり、よりエネルギー効率よく水蒸気を発生させることができる。
撥水処理の方法としては、特に限定されないが、フッ素系処理、有機ケイ素化合物処理、電子線照射などが挙げられる。
【００１６】
本発明の淡水化装置は、特に限定されないが、各蒸留室の原水溜まり部と、伝熱板との間に原水の沸騰によって発生する原水飛沫が、凝縮水に混入することを防止するトラップを設けることが好ましい。
トラップの構造は、不純物を含む原水飛沫が、凝縮水に混入することを防止できれば特に限定されないが、水蒸気が効率よく伝熱板に到達して、伝熱板で凝縮した水滴を効率よく回収できることから、例えば、中央に通気孔を有する上に向かって凸の略傘形をしていて、トラップ上面が凝縮水の受け部となっている構造とすることが好ましい。
【００１７】
上記通気孔の孔径は、孔径が大きすぎると伝熱板で凝縮した液滴が再び原水に戻ってしまう可能性があり、逆に小さすぎると原水から発生した水蒸気が伝熱板側に移動することを阻害する。しかし、蒸発缶の口径やトラップの傘形の傾斜角度等によって、最適な径が異なるため、最適な口径は、適宜経験的に求められる。
また、トラップの通気孔と原水の水面との間隔が狭く、原水の飛沫が凝縮水に混入する可能性がある場合、上記トラップの通気孔部分には、さらに、デミスタを設けるようにしてもよい。
【００１８】
本発明の淡水化装置は、各蒸留室内が減圧されるようになっているが、蒸留室内の圧力は、特に限定されないが、不凝縮ガスが排気され、５ｋPa程度の水の飽和蒸気圧力に程度まで減圧することが好ましい。
本発明の淡水化装置は、最も下段の蒸留室の原水は、加熱手段によって加熱される。この加熱手段の熱源としては、特に限定されないが、例えば、電気ヒーター、太陽熱、廃熱、ヒートポンプ、等が挙げられ、エネルギーコストを考慮すると太陽熱、廃熱やヒートポンプが好ましい。
ちなみに、ヒートポンプの場合、下段の蒸留室に加熱側を配置し、上段の蒸留室に冷却側を配置すれば、冷却装置を別途設ける必要がなくなる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明にかかる淡水化装置は、以上のように、蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成しただけの単純な構造であるため、低コストで製造できる。
そして、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたので、凝縮熱が効率よく直上の蒸留室内の原水に伝わり、少ない消費エネルギーで原水を高効率に蒸留できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態を模式的にあらわす図である。
【図２】本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態を模式的にあらわす図である。
【図３】試験例１において測定した蒸発収量を対比してあらわすグラフである。
【図４】試験例１において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【図５】試験例２において測定した蒸発収量を対比してあらわすグラフである。
【図６】試験例２において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【図７】試験例３において測定した蒸発収量から求めたＣＯＰＤを対比してあらわすグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる淡水化装置の１つの実施の形態をあらわしている。
図１に示すように、この淡水化装置１aは、蒸発缶２aと、加熱手段３と、冷却手段４と、減圧手段５と、を備えている。
【００２２】
蒸発缶２aは、上下が天板２１ａと底板２１ｂとによって閉じられた円筒状をしている合成樹脂製の本体２１が、その内部を伝熱板２２によって蒸留室２０ａと蒸留室２０ｂに仕切られている。
伝熱板２２は、銅などの高熱伝導材料からなり、上下面が粗面化されているとともに上面が撥水処理され、下面が親水化処理されている。
各蒸留室２０ａ，２０ｂは、トラップ２３によって上下が仕切られている。
【００２３】
トラップ２３は、特に限定されないが、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタラート等の合成樹脂で形成されていて、中央部に通気孔２３ａが穿設されるとともに中央部から周縁部に向かって徐々に低くなる略傘形状をしている。
トラップ２３の通気孔２３ａ部分は、デミスタ２４が設けられている。
デミスタ２４は、デミスタ本体２４ａと、邪魔板２４ｂとを備えている。
デミスタ本体２４ａは、金属製の網から形成した通気孔２３ａと略同径の筒状をしている。
デミスタ本体２４ａを構成する網の目の大きさは、水蒸気がスムーズに通過するとともに、原水飛沫が通過できない大きさに設定されている。
邪魔板２４ｂは、デミスタ本体２４ａの筒の下端を塞ぎ、原水Ｗ１の沸騰によって発生する原水Ｗ１の飛沫がデミスタ本体２４ａ内に入り込まないように邪魔するようになっている。
なお、トラップの通気孔と原水の水面との間隔が広いなど、原水の飛沫が凝縮水に混入する可能性がない場合には設けなくても構わない。
【００２４】
各蒸留室２０ａ，２０ｂのトラップ２３より下側の周壁には、原水供給管７ａとドレン管７ｂとが接続されている。
原水供給管７ａは、図示していないが、原水タンクに接続されていて、原水タンクから海水や汚濁水等の原水Ｗ１を蒸留室２０ａ，２０ｂ内に供給するようになっている。
ドレン管７ｂは、蒸留によって濃縮された濃縮水及びこの濃縮水に含まれる固形物を蒸留室２０ａ，２０ｂから排出するようになっている。
【００２５】
加熱手段３は、最下段の蒸留室２０ａの底に沿って設けられた熱交換用配管３１と、この熱交換用配管に熱媒体を供給する熱媒体供給手段（図示せず）とを備えている。
熱交換用配管３１は、ステンレス鋼などの耐食性に優れた金属材料から形成されていて、蒸留室２０ａの底に沿って蛇行するように、あるいは、渦状に設けられている。
【００２６】
冷却手段４は、最上段の蒸留室（この実施の形態では、２段目の蒸留室）２０ｂの天井に沿って設けられた冷却管４１と、この冷却管４１に冷媒を循環させるチラーユニット（図示せず）とを備えている。
冷却管４１は、ステンレス鋼などの耐食性に優れた金属材料から形成されていて、蒸留室２０ｂの天井に沿って蛇行するように、あるいは、渦状に設けられている。
【００２７】
減圧手段５は、真空ポンプ５ａと、吸引配管５ｂとを備えている。
吸引配管５ｂは、２つの分岐管路５１，５１に分岐されている。
一方の分岐管路５１は、下段の蒸留室２０ａのトラップ２３の最も低くなった部分を臨む位置で、その一端が蒸留室２０ａと接続されている。
他方の分岐管路５１は、上段の蒸留室２０ｂのトラップ２３の最も低くなった部分を臨む位置で、その一端が蒸留室２０ｂと接続されている。
【００２８】
そして、両分岐管路５１は、それぞれ上流側（蒸留室２０ａ，２０ｂ側）と、下流側（真空ポンプ５ａ側）とが中間に設けられた凝縮水溜め容器５１ａを介して分離されていて、蒸留室２０ａ，２０ｂのトラップ２３の上に溜まった凝縮水Ｗ２が蒸留室２０ａ，２０ｂから吸引されて凝縮水溜め容器５１ａに溜まるが、蒸留室２０ａ，２０ｂ内から吸引された空気は凝縮水溜め容器５１ａの上部空間を通り、真空ポンプ５ａ側へ排気されるようになっている。
図１中、６は圧力計である。
【００２９】
つぎに、この淡水化装置１aを用いた原水Ｗ１の淡水化方法の原理を詳しく説明する。
この淡水化装置１aを用いた原水Ｗ１の淡水化方法は、まず、原水供給管７ａを介して蒸留室２０ａ，２０ｂ内にそれぞれ所定のレベルまで原水Ｗ１を供給する。
そして、真空ポンプ５ａを稼働して各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を不凝縮ガスが排気され、５kPa程度の水の環境温度付近における飽和蒸気圧力になるまで減圧する。
また、同時に加熱手段３によって下段の蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１を加熱する。この加熱によって、蒸留室２０ａ内は、不凝縮ガスが排気され、５kPa程度の水の環境温度付近における飽和蒸気圧力に減圧されているため、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１は環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰が起こり、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１中の水が水蒸気となって蒸発する。
蒸留室２０ａ内で、蒸発した水蒸気は、図１において矢印で示すように、デミスタ２４を介してトラップ２３の中央に設けられた通気孔２３ａを通り、蒸留室２０ａのトラップ２３の上方空間内で拡散して伝熱板２２の下面全体に接触する。
伝熱板２２の下面に接触した水蒸気は、伝熱板２２の下面で凝縮する。そして、凝縮水Ｗ２がトラップ２３上面に受けられ、トラップ２３の傾斜によって蒸発缶２aの内壁面に沿う部分に溜まる。
トラップ２３上面に溜まった凝縮水Ｗ２は、分岐管路５１を介して凝縮水溜め容器５１ａに吸引されて溜められる。
【００３０】
一方、水蒸気の凝縮によって、凝縮熱が発生するが、この凝縮熱は、伝熱板２２を介して伝熱板２２の上面に受けられた上段の蒸留室２０ｂの原水Ｗ１に伝わる。
上段の蒸留室２０ｂ側の原水Ｗ１は、伝熱板２２を介して伝わる凝縮熱によって加熱され、下段の蒸留室２０ａの原水Ｗ１と同様に、環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰して、原水Ｗ１中の水が水蒸気となって蒸発する。
このようにして上段の蒸留室２０ｂで発生した水蒸気は、図１において矢印で示すように、デミスタ２４を介してトラップ２３の中央に設けられた通気孔２３ａを通り、蒸留室２０ｂのトラップ２３の上方空間内で拡散し、冷却手段４によって冷却されて凝縮する。そして、凝縮水Ｗ２がトラップ２３上面に受けられ、トラップ２３の傾斜によって蒸発缶２aの内壁面に沿う部分に溜まる。
トラップ２３上面に溜まった凝縮水Ｗ２は、分岐管路５１を介して凝縮水溜め容器５１ａに吸引されて溜められる。
【００３１】
この淡水化装置１aは、以上のように、蒸発缶２a内を伝熱板２２で上下方向に仕切るだけの簡単な構造であるので、低コストで製造できる。
しかも、下段の蒸留室２０ａ内で発生した水蒸気が凝縮することのよって発生する凝縮熱が伝熱板２２を介して直ちに上段の蒸留室２０ｂの原水Ｗ１の加熱に用いられるのでエネルギー効率がよい。
また、不凝縮ガスが排気されるとともに、５kPa程度の水の飽和蒸気圧力に減圧され、蒸留室２０ａ内の原水Ｗ１は環境温度付近かつ小温度差で容易に沸騰が起こるので、蒸発缶２aを熱に弱い合成樹脂で形成しても蒸発缶２aが熱変形を起こすといった問題がない。
また、蒸発缶２aを合成樹脂で形成したので、金属材料に比べ、熱伝導性が低く、環境への熱損失および温度上昇による顕熱損失を抑制することができるとともに、装置全体の軽量化を図ることができる。
【００３２】
図２は本発明にかかる淡水化装置の第２の実施の形態をあらわしている。
図２に示すように、この淡水化装置１ｂは、蒸発缶２ｂ内が２つの伝熱板２２を介して３つの蒸発室２０c〜２０e に仕切られていて、最下段の蒸発室２０ｃに加熱手段３を備え、最上段の蒸発室２０eに冷却手段４が設けられ、中段の蒸発室２０ｄには加熱手段３及び冷却手段４が設けられていないとともに、蒸発缶２ｂが蒸発缶２ｂの底板２１ｂの下方にスペーサ８を設けて、伝熱板２２の下面が水平面に対して一方向（この実施の形態では、図２で左方向に）に向かって５度程度の下り勾配となるように保持されている以外は、上記淡水化装置１ａと同様になっている。
【００３３】
この淡水化装置１ｂは、上記のように伝熱板２２の下面が水平面に対して一方向に向かって５度程度の下り勾配となるように保持されているので、伝熱板２２の下面で凝縮した凝縮水Ｗ２は、伝熱板２２の下面に沿って下り方向側に直ちに流れる。したがって、伝熱板２２の下面において常に安定して水蒸気の凝縮が行われる。
【００３４】
本発明は、上記の実施の形態に限定されない。例えば、上記の実施の形態では、加熱手段として、熱交換器を最下段の蒸留室内に設けているが、最下段の蒸留室の底を伝熱板として、この伝熱板と蒸発缶の底との間に加熱媒体の充填可能な空間を設け、この空間内に加熱媒体を循環させて加熱するようにしても構わない。また、蒸留室は３段以上設けるようにしても構わない。
【００３５】
以下に、本発明の具体的な実施例を詳しく説明する。
〔試験ユニットの作製〕
デミスタ２４を設けなかった以外は、図１に示す淡水化装置１ａと同様の形状をした上下２段の蒸留室２０ａ，２０ｂを備え、各部が以下の材質及び寸法条件の淡水化装置の試験ユニットＡ〜Ｊを作製した。
【００３６】
（試験ユニットＡ）
〔蒸発缶２ａ〕
材質：透明塩化ビニル樹脂
形状及び大きさ：肉厚１０ｍｍ、内径４００ｍｍの円筒状で、底板２１ｂ上面から天板２１ａ下面までの高さが５００ｍｍである円筒形状
〔伝熱板２２〕
材質：銅平板
大きさ：伝熱面積０．１３ ｍ2、肉厚０．５ ｍｍ
仕切り位置：蒸発缶２aの底板上面から２００ｍｍの高さ位置
〔下段の蒸留室２０ａのトラップ２３〕
材質：ポリ塩化ビニル
傾斜角度：１０°
通気孔径：内径１００ｍｍ
最下端の高さ位置：蒸発缶２aの底板２１ｂ上面から１００ｍｍの高さ位置
〔上段の蒸留室２０ｂのトラップ２３〕
材質：ポリ塩化ビニル
傾斜角度：１０°
通気孔径：内径１００ｍｍ
最下端の高さ位置：伝熱板２２から１００ｍｍの高さ位置
〔加熱手段３〕
最大出力３ｋＷの電気ヒーター
〔冷却手段４〕
伝熱面積０．１２ ｍ2、冷却水循環量２．３ L/minのクーラー
【００３７】
（試験ユニットＢ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００３８】
（試験ユニットＣ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００３９】
（試験ユニットＤ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）に撥水ワックス撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４０】
（試験ユニットＥ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４１】
（試験ユニットＦ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４２】
（試験ユニットＧ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４３】
（試験ユニットＨ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４４】
（試験ユニットＩ）
伝熱板２２として、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに上面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４５】
（試験ユニットＪ）
伝熱板２２として、下面（下段の蒸留室２０ａ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに下面に親水ワックス（錦之堂社の商品名ＷＡＴＥＲ・Ｘ）を、表面を完全に被覆するように適量塗布し、かつ、上面（上段の蒸留室２０ｂ側の面）を１５０番の紙やすりで研磨して粗面化するとともに、粗面化後さらに上面に撥水ワックス（協和興材社の商品名Permaluxe Super Compound）を、表面を完全に被覆するように適量塗布した平銅板を用いた以外は、試験ユニットＡと同様にした。
【００４６】
（試験例１）
上記試験ユニットＡ〜Ｆのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて５００Ｗの出力に調整した上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水収量）を測定する試験をそれぞれ３回行った。
そして、上記試験例１で求めた各蒸留収量を比較して図３に示すとともに、各蒸留収量から求めたＣＯＰＤを比較して図４に示した。
なお、図３及び図４において、ノーマルは試験ユニットＡ，ヤスリは試験ユニットＢ，ヤスリ+撥水ワックスは試験ユニットＣ，撥水ワックスは試験ユニットＤ，親水ワックスは試験ユニットＥ，ヤスリ+親水ワックスは試験ユニットＦをそれぞれあらわす。
図３及び図４から、本発明の淡水化装置は、ＣＯＰＤの値が大きくエネルギー効率が高いことがよくわかる。
また、伝熱板の下面を粗面化するあるいは親水化すればよりエネルギー効率があがり、粗面化及び親水化を併用すれば安定したエネルギー効率の向上が見られることがよくわかる。
さらに、各試験ユニットＢ〜Ｆの伝熱板２２の下面側（凝縮側）の状態を蒸発缶２aの外側から目視により観察したところ、粗面化した試験ユニットＢ、親水化した試験ユニットＥ、粗面化するとともに親水化した試験ユニットＦについては下面が膜凝縮の様相を呈し、凝縮した水がスムーズに落ち、凝縮が促進されていた。一方、撥水化した試験ユニットＣ，Ｄについては下面が滴状凝縮であった。本来、滴状凝縮は水滴離脱の際に伝熱板２２の下面の凝縮水Ｗ２が拭い去られ、伝熱板２２の下面が露出するというのが特徴であるが、今回の実験では、水滴が発生した場に停滞したままで、離脱することがあまり見受けられなかった。
このことから、伝熱板２２の下面は、粗面化、親水化あるいは粗面化及び親水化することが好ましいと考えられる。
【００４７】
（試験例２）
上記試験ユニットＡ及び試験ユニットＧ〜Ｉのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて５００Ｗの出力に調整した上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水終了）を測定する試験をそれぞれ３回行った。
そして、上記試験例２で求めたで求めた各蒸留収量を比較して図５に示すとともに、各蒸留収量から求めたＣＯＰＤを比較して図６に示した。
なお、図５及び図６において、ノーマルは試験ユニットＡ，ヤスリは試験ユニットＧ，撥水ワックスは試験ユニットＨ，ヤスリ+撥水ワックスは試験ユニットＩをそれぞれあらわす。
図５及び図６から、本発明の淡水化装置が、ＣＯＰＤの値が大きくエネルギー効率が高いことがよくわかる。
また、伝熱板の上面を粗面化するあるいは撥水化すればよりエネルギー効率があがり、粗面化及び撥水化を併用すれば安定したエネルギー効率の向上が見られることがよくわかる。
さらに、上記試験ユニットＧ〜Ｉのそれぞれの試験ユニットについて、各試験ユニットの伝熱板２２の上面側（沸騰側）の状態を蒸発缶２ａの外側から目視により観察したところ、粗面化した試験ユニットＧの場合、沸騰開始直後の気泡の数は少ないものの、定常状態になった際に他に比べて表面上の多くの場所から気泡が発生した。また、撥水化した試験ユニットＨの場合、沸騰開始直後から他と比較して気泡の発生量が多かった。しかし、原水温度が定常状態に達すると沸騰が起こる場所が限られていた。粗面化及び撥水化した試験ユニットＩの場合、上記２つの特徴が現れ、活発に沸騰が起きた。
このことから伝熱板２２の上面は、粗面化及び撥水化することが好ましいと考えられる。
【００４８】
（試験例３）
上記試験ユニットＡ及び試験ユニットＪのそれぞれの試験ユニットについて、下段の蒸留室２０ａに原水としての水道水５L、上段の蒸留室２０ｂに原水としての水道水８Lを注入し、真空ポンプ５ａを作動させて各蒸留室２０ａ，２０ｂ内を水の飽和蒸気圧力まで減圧した後、スライダックを用いて３００Ｗ〜１０００Ｗまで、１００Ｗ刻みで出力を変化させて上記電気ヒーターを用いて下段の蒸留室２０ａ内の原水を加熱するとともに、クーラーを作動させ、各部の温度が一定になったのを確認してから凝縮水の回収を始め、１時間後に試験ユニットを止めて蒸留収量（凝縮水終了）を測定する試験をそれぞれ行った。
そして、求められた蒸留収量を元にＣＯＰＤを演算し、その結果を図７に示した。なお、図７中、ｎｏｎ−ｔｒｅａｔｅｄ ｓｕｒｆａｓｅは、試験ユニットＡを、ｔｒｅａｔｅｄ ｓｕｒｆａｓｅは、試験ユニットＪをそれぞれあらわす。
図７に示すように、９００Ｗの熱量を加えた系においては、試験ユニットＪはもちろんのこと、試験ユニットＡにおいてもかなり高いエネルギー効率を得られるとともに、特に試験ユニットＪにおいては、ＣＯＰＤが１．８６と、効率１００％であるＣＯＰＤが２の最大値に略近い高いエネルギー効率が得られることがわかる。また、試験ユニットＪについては、９００Ｗの熱量を加えた系において、蒸留収量が約2.7 L/hで、試験ユニットＡに比べ３３％も蒸留収量が向上していた。
さらに、試験ユニットＪの９００Ｗの熱量を加えた系において、クーラーの入口冷却水温度、クーラーの出口冷却水温度、下段の蒸留室２０ａの原水温度、下段の蒸留室２０ａの水蒸気温度、上段の蒸留室２０ｂの原水温度、上段の蒸留室２０ｂの水蒸気温度、伝熱板２２の下面温度、及び伝熱板２２の上面温度のそれぞれの試験開始から終了までの温度変化を調べたところ、最も高温の下段の蒸留室２０ａの原水温度と、最も低温のクーラー内の冷却水との温度差が最大で約２０℃しかなく、比較的小温度差で高効率な蒸留が行われたと判断できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明にかかる淡水化装置は、特に限定されないが、例えば、海水などの淡水化や砒素などに汚染された井戸水等の淡水化に使用することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ａ，１ｂ 淡水化装置
２ａ，２ｂ 蒸発缶
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ 蒸留室
２２ 伝熱板
２３ トラップ
２３ａ 通気孔
２４ デミスタ
３ 加熱手段
４ 冷却手段
５ 減圧手段
Ｗ１ 原水
Ｗ２ 凝縮水
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つ以上の蒸留室を備え、各蒸留室内に原水を供給するとともに減圧状態にして、１つの蒸留室内の原水を加熱手段によって加熱して、原水中の水を蒸発させる一方、前記１つの蒸留室以外の蒸留室内に設けられた原水の加熱源として他の蒸留室で発生した水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱を用いるようにした淡水化装置であって、
蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成し、最下段の蒸留室に供給された原水を加熱する加熱手段を設け、最上段の蒸留室にこの蒸留室内の水蒸気を凝縮させる冷却手段を設けるとともに、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項２】
蒸発缶が樹脂で形成されている請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項３】
伝熱板の下面が水平面に対し傾斜している請求項１または請求項２に記載の淡水化装置。
【請求項４】
伝熱板の上下面の少なくとも一方が粗面化されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項５】
伝熱板の下面が親水処理されている請求項１〜請求項４のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項６】
伝熱板の上面が撥水処理されている請求項１〜請求項５のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項７】
原水の沸騰によって発生する原水飛沫が凝縮水に混入することを防止するトラップが、蒸留室内に設けられている請求項１〜請求項６のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項８】
トラップが、中央に通気孔を有する上に向かって凸の略傘形をしていて、トラップ上面が凝縮水の受け部となっている請求項７に記載の淡水化装置。
【請求項１】
２つ以上の蒸留室を備え、各蒸留室内に原水を供給するとともに減圧状態にして、１つの蒸留室内の原水を加熱手段によって加熱して、原水中の水を蒸発させる一方、前記１つの蒸留室以外の蒸留室内に設けられた原水の加熱源として他の蒸留室で発生した水蒸気の凝縮によって放出される凝縮熱を用いるようにした淡水化装置であって、
蒸発缶の内部を、伝熱板を介して上下方向に仕切ることによって複数の蒸留室を形成し、最下段の蒸留室に供給された原水を加熱する加熱手段を設け、最上段の蒸留室にこの蒸留室内の水蒸気を凝縮させる冷却手段を設けるとともに、下段の蒸留室で発生した水蒸気を下段の蒸留室の天井面を構成する伝熱板の下面で凝縮させて回収するとともに、水蒸気の凝縮によって発生した凝縮熱が伝熱板を介して上段の伝熱板上で受けられた原水に伝わるようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項２】
蒸発缶が樹脂で形成されている請求項１に記載の淡水化装置。
【請求項３】
伝熱板の下面が水平面に対し傾斜している請求項１または請求項２に記載の淡水化装置。
【請求項４】
伝熱板の上下面の少なくとも一方が粗面化されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項５】
伝熱板の下面が親水処理されている請求項１〜請求項４のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項６】
伝熱板の上面が撥水処理されている請求項１〜請求項５のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項７】
原水の沸騰によって発生する原水飛沫が凝縮水に混入することを防止するトラップが、蒸留室内に設けられている請求項１〜請求項６のいずれかに記載の淡水化装置。
【請求項８】
トラップが、中央に通気孔を有する上に向かって凸の略傘形をしていて、トラップ上面が凝縮水の受け部となっている請求項７に記載の淡水化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−５４２８（Ｐ２０１１−５４２８Ａ）
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５１７６６（Ｐ２００９−１５１７６６）
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１） 掲載日 平成２１年５月２６日 （２） ホームページのアドレス ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｔｓｊ．ｏｒ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ−ｊ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｂｒｏｗｓｅ／ｎｈｔｓ／＿ｖｏｌｓ／−ｃｈａｒ／ｊａ
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月２６日（２００９．６．２６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り （１） 掲載日 平成２１年５月２６日 （２） ホームページのアドレス ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｔｓｊ．ｏｒ．ｊｐ／ｉｎｄｅｘ−ｊ．ｈｔｍｌ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｓｔａｇｅ．ｊｓｔ．ｇｏ．ｊｐ／ｂｒｏｗｓｅ／ｎｈｔｓ／＿ｖｏｌｓ／−ｃｈａｒ／ｊａ
【出願人】（０００００２１７４）積水化学工業株式会社 (5,781)
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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