JP2004232998A - 水捕集装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】海水のような原水を入手しにくい場所であっても、安全に低コストで水を創り出すことができる水捕集装置を提供すること。
【解決手段】夜間に送風機１６を作動させて、高湿な外気を吸脱着器１８の内部に導入し、吸脱着器１８内の吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。昼間は、送風機１６を停止させ、太陽光で吸脱着器１８内の吸脱着剤を加熱して、吸脱着剤から吸脱着器１８内の空気中へ吸着水を脱着させる。吸脱着器１８内の水蒸気は、吸脱着器１８の内面の一部である凝結面に接触して凝結する。凝結面にできた水滴は、自重で流れ落ちてタンク２０に貯まる。
【選択図】 図１
【解決手段】夜間に送風機１６を作動させて、高湿な外気を吸脱着器１８の内部に導入し、吸脱着器１８内の吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。昼間は、送風機１６を停止させ、太陽光で吸脱着器１８内の吸脱着剤を加熱して、吸脱着剤から吸脱着器１８内の空気中へ吸着水を脱着させる。吸脱着器１８内の水蒸気は、吸脱着器１８の内面の一部である凝結面に接触して凝結する。凝結面にできた水滴は、自重で流れ落ちてタンク２０に貯まる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水捕集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、地球上では各地で大規模な砂漠化が進行している。特に、中国においては、干ばつなどの自然的要因の他に、放牧地の再生能力を超えた家畜の放牧や過耕作による生態系破壊といった人災的要因も加わって、砂漠化地域は加速的に拡大している。
【０００３】
こうした砂漠化の防止および緑化に関する手法としては、イオン交換樹脂法、逆浸透膜法、蒸留法などによって、海水から真水を製造し、この真水で灌漑する方法や、砂漠にコールタールやシートを張り、その上に吸水性樹脂を積層したり、吸水性組成物を地中に埋めたりすることにより、土壌の保水力を改善する方法などが提言されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３１３６８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来技術のうち、海水から真水を製造する方法では、海水が原水として必要になるので、近くに海が存在しない内陸部まで海水を運ぶには、莫大なコストがかかってしまう、という欠点がある。
【０００６】
また、土壌の保水力を改善する方法は、貴重な水資源を少しでも土壌に蓄えて活用しようとするものに過ぎず、自ら水を創成する技術ではないため、結局、水源としては、降雨を待つといった不安定なものに頼らざるを得ない。
さらに、地球環境保全の観点からは、無害で安全であることが求められ、また、永続的な運用を考えると、できる限り運用コストを抑えることができることも重要である。
【０００７】
本発明は、上記のような背景の下で完成されたものであり、その目的は、海水のような原水を入手しにくい場所であっても、安全に低コストで水を創り出すことができる水捕集装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
以下、上記目的を達成するためになされた本発明の特徴について詳述する。
本発明の水捕集装置は、
太陽光が透過する光透過面、および内部の水蒸気を凝結させる凝結面を有する容器と、
該容器内に配置され、前記容器内の相対湿度が上昇すると前記容器内の空気中から水蒸気を吸着する一方、前記光透過面を透過した太陽光が照射されると加熱されて吸着水を前記容器内の空気中へ脱着する吸脱着剤と、
前記容器内の空気と外気とを入れ替える換気手段と、
外気の相対湿度が高くなる状況下において前記換気手段を作動させる一方、太陽光が照射される状況下において前記換気手段を停止させる制御を実行する制御手段とを備え、
前記換気手段を作動させた際には、前記容器内へ外気を導入して前記吸脱着剤で水蒸気を吸着する一方、前記換気手段を停止させた際には、太陽光で前記吸脱着剤を加熱して前記吸脱着剤から水蒸気を脱着させるとともに、前記容器内の凝結面で水蒸気を凝結させることによって水を捕集するように構成された水捕集装置であって、
前記吸脱着剤が、多孔質材料からなる基材の内部に、前記多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、前記多孔質材料からなる基材の表面に、前記太陽光吸収材料をコーティングしたものである
ことを特徴とする。
【０００９】
この水捕集装置において、容器は、上述の如き光透過面および凝結面を有するものである。光透過面は、吸脱着剤に照射されることになる太陽光を透過させるために設けられたものである。この光透過面は、太陽光の透過率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の反射率が高い低輻射透明体（例えば、低輻射ガラス、または低輻射ガラスと同様の低輻射コーティング膜が形成された透明樹脂など）によって形成されていると、太陽光によって加熱された吸脱着剤から放射される赤外線が光透過面で反射されて、容器内が効率よく加熱されるので望ましい。凝結面は、接触した水蒸気を凝結させて水滴化する面である。凝結面に接触した水蒸気を効率よく凝結させるためには、凝結面が親水性表面となっているものが望ましい。また、水蒸気から熱を奪って凝結させるためには、凝結面から得た熱を速やかに凝結面以外に伝達、放出できるような構造になっているとよく、例えば、凝結面が容器内の空気に接するとともに、凝結面の裏側の面が外気に接するように構成され、これにより、外気側へと熱を逃がすような構造になっているとよい。また、凝結面は、平面に限らず、波板状などの曲面であってもよく、さらに、平滑な凝結面に限らず、梨地、バレル研磨やショットブラスト加工が施された表面構造としてもよい。
【００１０】
吸脱着剤は、多孔質材料からなる基材の内部に、前記多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、前記多孔質材料からなる基材の表面に、前記太陽光吸収材料をコーティングしたものである。
ここで、多孔質材料は、周囲の空気の温度および相対湿度、吸脱着剤自体の温度および吸着水の量に応じて、空気中から水蒸気を吸着、または、吸着水を空気中へ脱着する能力（吸脱着能）を有するものである。このような多孔質材料としては、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ、活性炭などがを挙げることができるが、中でも、シリカゲルは、細孔径の制御が容易で、吸脱着性能の最適化が容易なので特に好適である。本装置において採用可能なシリカゲルとしては、例えば、細孔径が２ｎｍ〜１０ｎｍに制御されたシリカゲルを用いることができ、一般的には、Ａ型シリカゲル、Ｂ型シリカゲルが、この程度の細孔径を有している。
【００１１】
また、太陽光吸収材料は、少なくとも多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高いものである。例えば、黒色材料は、他の有色材料に比べて太陽光の吸収率が高いので、太陽光吸収材料として好適である。また、太陽光の吸収率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の放射率が低い選択吸収材料は、太陽光を吸収して温度が上昇した場合でも、赤外線の放射によるエネルギーの損失が抑制されるので、これもを招かないので、太陽光吸収材料として好適である。このような選択吸収材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉの中から選ばれる１種の酸化物または２種以上の複合酸化物などを挙げることができる。以上のような太陽光吸収材料は、基材の内部に分散させるか、基材の表面にコーティングされる。シリカゲルのように基材の透明性が高い場合には、太陽光吸収材料を基材の内部に分散させてもよいし基材の表面にコーティングしてもよく、基材の透明性が低い場合には、太陽光吸収材料を基材の表面にコーティングするのが望ましい。
【００１２】
このようにして構成される吸脱着剤は、所期の吸脱着能を有するものであれば、球状や破砕状などの粒状物であっても、ハニカム状やボード状などの成形体であってもよい。吸脱着剤の吸脱着能は、もちろん高ければ高いほどよいが、目安としては、例えば、前記吸脱着剤が、前記容器内の相対湿度が１０％〜８０％の間で変化した場合に、自重に対する重量比で少なくとも１０重量％の水を吸脱着する吸脱着能力を有すると望ましい。このような吸脱着剤を用いると、１０重量％未満の水しか吸脱着できないものに比べ、過大な量の吸脱着剤を用いなくてもよくなり、その分だけ装置全体を小型化することができる。
【００１３】
換気手段は、容器内の空気と外気とを入れ替える手段であり、例えば、電動式の送風機などによって構成される。電動式の送風機を用いる場合は、電気エネルギーを供給する給電手段が必要である。この給電手段としては、例えば、太陽電池と、該太陽電池よって得られた電気エネルギーを蓄積する蓄電手段とを備え、該蓄電手段に蓄積した電気エネルギーで前記換気手段を作動させるように構成したものを考えることができる。このように構成すれば、本装置外から電力を供給しなくても、本装置単独で電気エネルギーを確保できるので、本装置外からの電力供給が望めないような場所でも、本装置を稼働させることができるので望ましい。この場合、蓄電手段としては、公知の各種蓄電池、蓄電器を任意に利用できる。但し、砂漠のような寒暖の変化が激しい場所で使用するには、前記蓄電手段が、電気二重層キャパシタであると望ましい。電気二重層キャパシタは、８０℃程度の高温環境でも充放電が可能なので、砂漠のような高温環境でも利用することができる。また、電気二重層キャパシタは、化学反応を伴わずに充放電できることから、１０万回〜１００万回程度の充放電を繰り返しても基本的には劣化しないので、砂漠のような場所でもメンテナンスフリーで利用することができる。さらに、電気二重層キャパシタは、鉛やカドミウムといった有害物質を使用せずに、無公害の活性炭電極やアセトニトリル系の電解液などで構成できるので、環境汚染の恐れが無く、この点では、砂漠のような場所に無人で放置しても安全である。なお、給電手段としては、上記太陽電池と蓄電手段との組み合わせ以外の手段であってもよく、例えば、風力発電機と蓄電手段とを組み合わせてもよい。
【００１４】
制御手段は、換気手段の作動／停止を制御する手段であり、タイマーやセンサなどからの入力を条件として作動するスイッチによって構成される。すなわち、この制御手段は、外気の相対湿度が高くなる状況下において換気手段を作動させる一方、太陽光が照射される状況下において換気手段を停止させるが、これらの各状況になったかどうかは、タイマーもしくはセンサによって判断することができる。例えば、タイマーを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された第１の時間帯に換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された第２の時間帯に換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。また、光センサや太陽電池を用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された明るさ以上の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された明るさ未満の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。また、温度センサを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された温度以上の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された温度未満の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。さらに、湿度センサを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された相対湿度未満の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された相対湿度以上の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。これらの制御方法は、厳密には換気手段の作動開始／停止のタイミングが異なるが、概ね外気の相対湿度が高くなる状況下では換気手段が作動し、日射に伴って外気の気温が上昇して相対湿度が低くなる状況下では換気手段が停止するように、換気手段を制御することができる。
【００１５】
以上のように構成された水捕集装置は、次のように動作する。
まず、外気の相対湿度が高くなる状況下では換気手段が作動して、高湿な外気を容器の内部に導入し、これにより、容器内の吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。例えば、夜間の砂漠では相対湿度が１００％近くに達するので、この外気を容器の内部に導入して、吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。
【００１６】
通常、水蒸気吸着は、吸着熱が非常に多く発生し、吸脱着剤温度および容器内空気温度が上昇するので、飽和吸着状態にはなりにくいが、換気手段によって高湿な外気を大量に導入し、吸着熱によって加熱された容器内の空気と外気とを入れ替えることにより、容器内の空気の温度上昇は抑制することができる。その結果、容器内では温度上昇が抑制され、同時に高湿な空気が供給され、吸着飽和状態まで吸着を進めることが可能となる。
【００１７】
一方、換気手段が作動を停止した後、太陽光が照射される時間帯になると吸脱着剤が加熱され、吸脱着剤から容器内の空気中へ吸着水が脱着される。特に、この吸脱着剤は、多孔質材料からなる基材の内部に、多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、多孔質材料からなる基材の表面に、太陽光吸収材料をコーティングしたものであるため、太陽光を効率よく吸収して吸脱着剤自体が高温になるので、同種の多孔質材料からなる基材のみで構成された吸脱着剤に比べ、吸着水を脱着させる能力は高くなっている。この時は、換気手段が作動していないので、容器の内外では実質的な空気の入れ換えが起こらず、容器内の湿度はきわめて高くなる。この状態で容器内の水蒸気が、容器内の凝結面に接触すると、凝結面が水蒸気から熱を奪い、凝結面には水滴ができる。したがって、この水滴を集めることにより、水を得ることができる。
【００１８】
凝結面において凝結してできた水滴は、どのような方法で集めてもよく、例えば、凝結面を垂直面または傾斜面としておくことにより、水滴が自重で凝結面の下端側へ集まるようにしてもよいし、凝結面から滴り落ちる水滴を漏斗で集めるようにしてもよい。こうして集められた水は、例えば、タンクなどに回収してもよいし、そのまま土壌に放出して土壌への水分補給を行うような構成にしてもよい。
【００１９】
このような水捕集装置によれば、大気中に存在する水蒸気を捕集して水を創り出すことができる。したがって、海水から真水を製造する方法とは異なり、水を創り出すに当たって、原水となる海水等は不要であり、近くに海が存在しない内陸部においても、水を創り出すことができ、その水を灌漑用等の用途に利用することができる。
【００２０】
特に、この水捕集装置は、外気の相対湿度が高くなる状況下においては、吸脱着剤を使って大気中から積極的に水蒸気を吸着させ、太陽光が得られる状況下においては、太陽光吸収材料を利用して吸脱着剤を効果的に加熱することで、効率よく水を捕集するので、この種の吸脱着剤を利用しないシステムはもちろんのこと、太陽光吸収材料を含まない多孔質材料で水蒸気を吸着するシステムと比べた場合でも、水の捕集能力が高いものとなる。
【００２１】
しかも、この水捕集装置の作動に必要なエネルギーは、太陽エネルギーや風力エネルギー（いわゆるソフトエネルギー）でまかなうことができるので、砂漠のような給電設備のない場所での稼働も可能であり、装置の稼働に伴う二酸化炭素の排出や有害物質の排出も無いので、環境に対する負荷もきわめて小さい。したがって、砂漠化の防止および緑化といった環境保全のために用いる装置としては、きわめて有望な装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、一例を挙げて説明する。
以下に説明する水捕集装置は、図１に示すように、太陽電池１０、蓄電器１２、タイマー１４、送風機１６、吸脱着器１８、およびタンク２０を備えている。
【００２３】
太陽電池１０は、太陽光を電気エネルギーに変換する装置である。
蓄電器１２は、太陽電池１０から送られてくる電気エネルギーを蓄積する装置であり、本実施形態においては、複数の電気二重層キャパシタによって構成されている。各電気二重層キャパシタは、多孔性セパレータを介装することによって互いに絶縁された一対の多孔性炭素電極と電解液とを密閉容器に封入し、これら多孔性炭素電極および電解液によって一対の分極性電極を形成した構造のものである。この電気二重層キャパシタにおいて、多孔性炭素電極としては、水酸化カリウムによって賦活したピッチ系活性炭が用いられ、電解液としては、プロピレンカーボネートとアセトニトリルとの１：１混合物にテトラエチルアンモンテトラフルオロボレートを溶解してなる有機系電解液が用いられている。蓄電器１２は、複数の電気二重層キャパシタを直列および並列に組んで構成されている。なお、蓄電器１２については、送風機１６の性能に応じて、電気二重層キャパシタ単独で構成してもよいし、キャパシタと電池とを組み合わせて構成してもよく、例えば、キャパシタと冷暖房機能を備えた電池とを併用で使用する場合もある。
【００２４】
タイマー１４は、事前にセットされた時間帯にのみ蓄電器１２側と送風機１６側とを電気的に接続するスイッチング回路である。本実施形態においては、午後６時になると送風機１６に電力が供給され、午前６時になると送風機１６への電力供給が停止されるように、各時刻がセットされている。
【００２５】
送風機１６は、蓄電器１２から電力が供給されると作動して、吸脱着器１８の内部へ外気を送り込む装置で、本実施形態においては、消費電力１９Ｗで、吸脱着器１８内へ、圧力１９６Ｐａ、風量１６６ｍ３／ｈの空気を送り込み可能なものを利用している。
【００２６】
吸脱着器１８は、夜間には、送風機１６から送られる空気中から水蒸気を吸着する第１の状態になり、昼間には、太陽光での加熱により吸着水を脱着させ、その脱着に伴って増大する水蒸気を凝結させて水にする第２の状態になり、これら２つの状態を１日周期で繰り返すことによって、水を捕集するものである。
【００２７】
タンク２０は、吸脱着器１８によって捕集した水を貯めておく容器である。
次に、吸脱着器１８の具体的な構造について詳述する。
吸脱着器１８は、図２に示すように、吸脱着ボックス２２（本発明でいう容器に相当）と、スタンド２４とで構成されている。
【００２８】
吸脱着ボックス２２は、四方の側面側が断熱材によって形成された断熱部２６、上面側が光透過性材料（本実施例では、ポリカーボネート）によって形成された光透過面２８となっている。また、断熱部２６の一側面には、送風機１６からの空気を導入する導入口３０が設けられ、断熱部２６の別の一側面には、吸脱着ボックス２２内の空気を排出する排出口３２が設けられている。そして、断熱部２６の隅には、吸脱着ボックス２２の内部において捕集される水を、吸脱着ボックス２２の外部へ導出するためのホース３４が設けられている。
【００２９】
スタンド２４は、吸脱着ボックス２２を傾斜させた状態で支持するもので、本実施例においては、図２に示した角度θ１が３０〜４５度、角度θ２が５〜１０度となっている。
吸脱着ボックス２２の光透過面２８は、図３（ａ）および同図（ｂ）に示すように、間隔をあけて配置された第１透明部材４０および第２透明部材４２によって構成され、第１透明部材４０と第２透明部材４２との間には、両者の間隔を維持するために、断熱材によって形成されたスペーサー４４が介装されている。これら第１透明部材４０および第２透明部材４２は、いずれも本実施例においてはポリカーボネート製の波板によって構成されており、第２透明部材４２の下面（第１透明部材４０と対向する面の裏側になる面）については、太陽光の透過率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の反射率が高い低輻射コーティング膜（本実施形態では、スパッタリングによって形成した酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜）が形成されている。
【００３０】
光透過面２８の下方には、第２透明部材４２とは間隔をあけて吸脱着剤４６が配置されている。本実施形態において、吸脱着剤４６は、細孔径２ｎｍ〜１０ｎｍのＡ型シリカゲルの表面に、黒色のコーティング膜を施したものである。このコーティング膜は、カーボンブラックを分散させたアクリルエマルジョン塗料を、水で２倍に希釈して、これを霧吹きノズルから噴霧しつつシリカゲルをボールの中で撹拌して、シリカゲルの表面に黒色のコーティング膜を形成したものである。コーティング膜を形成する際には、コーティング前にシリカゲルに細孔容積相当量の水を含浸させておき、コーティング後にシリカゲルを十分乾燥させることにより、シリカゲルの細孔構造がコーティング組成物によって潰されるのを抑制することができる。吸脱着ボックス２２内には、１２．５ｋｇの吸脱着剤４６が、７０ｃｍ×１６０ｃｍの範囲に略均一な厚さで敷き詰められている。
【００３１】
金網４８の下方には、金網４８とは間隔をあけて放熱部材５０が配置されている。放熱部材５０は、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム、銅など）で形成されており、金網４８と対向する上面側が、吸脱着ボックス２２内部の水蒸気を凝結させる凝結面となっていて、その裏面である下面側には、複数の放熱フィン５２が形成されている。複数の放熱フィン５２は、上下方向に延びるかたちで平行に形成されており、これにより、放熱部材５０から受けた熱で加熱された空気が、対流によってスムーズに上方へと流れるようになっている。
【００３２】
このように構成された吸脱着器１８において、吸脱着ボックス２２の光透過面２８は、昼間は、外部から入射する太陽光を内部へ透過させる。これにより、その透過させた太陽光で吸脱着剤４６を加熱することができる。また、放熱部材５０は、熱伝導率が高い金属によって形成され、且つ、外面側の放熱フィン５２が外気にさらされているため、光透過面２８を透過した太陽光によって吸脱着剤４６が加熱されて吸着水を脱着し、吸脱着ボックス２２内部の水蒸気量が上昇した際には、水蒸気が放熱部材５０の内面に接触して凝結する。放熱部材５０の内面には、上記スタンド２４による角度θ１（３０〜４５度）の傾きがあるので、放熱部材５０の内面に付着した水は、放熱部材５０の内面を伝って吸脱着ボックス２２の最下部に集まる。そして、吸脱着ボックス２２の最下部に集まった水は、上記スタンド２４による角度θ２（５〜１０度）の傾きによって、ホース３４側へと集まり、このホース３４を介して吸脱着ボックス２２の外部へと導出される水が、タンク２０の内部に貯められるようになっている。
【００３３】
このように構成された水捕集装置は、次のように動作する。
まず、午前６時から午後６時までの時間帯には、タイマー１４が送風機１６への電力供給を停止する。この時間帯には、太陽光が太陽電池１０に照射されるので、太陽電池１０から蓄電器１２に電気エネルギーが送られる。蓄電器１２に送られる電気エネルギーは、僅かな待機電力（例えばタイマー１４の計時動作に必要な電力等）を除き、大部分が蓄電器１２に蓄積される。
【００３４】
その後、午後６時から午前６時までの時間帯には、タイマー１４が蓄電器１２から送風機１６へ電力を供給する。これにより、送風機１６が作動して、外気が吸脱着ボックス２２の内部に導入される。この時間帯は、外気温が低下するのに伴って外気の相対湿度が上昇するので、外気を吸脱着ボックス２２の内部に導入すると、吸脱着ボックス２２内の吸脱着剤４６に水蒸気を吸着させることができる。
【００３５】
この時、吸脱着剤４６からは、非常に多くの吸着熱が発生するが、吸脱着ボックス２２内には、送風機１６から連続的に外気が送り込まれて、吸着熱によって加熱された空気と外気とが入れ替わるので、吸脱着ボックス２２内の温度上昇は抑制される。特に、第２透明部材４２が、波板状になっていることから、吸脱着ボックス２２内に送り込まれた空気の流れは、乱流となって吸脱着ボックス２２内全体に広がるので、吸脱着ボックス２２内にはまんべんなく外気が送り込まれて、内気と外気とが交換される。そのため、吸脱着ボックス２２内では温度上昇が抑制され、同時に高湿な空気が供給され、吸着飽和状態まで吸着を進めることができる。
【００３６】
さて、その後、再び午前６時から午後６時までの時間帯になると、タイマー１４が送風機１６への電力供給を停止する。この時間帯には、上述の通り、太陽光による充電が行われるが、同時に、光透過面２８を透過した太陽光が吸脱着剤４６に照射され、その輻射熱によって吸脱着剤４６が加熱される。吸脱着剤４６が加熱されると、吸脱着剤４６から吸脱着ボックス２２内の空気中へ吸着水が脱着される。この時は、送風機１６が作動していないので、吸脱着ボックス２２の内外間で空気の入れ換えが起こらず、吸脱着ボックス２２内の湿度はきわめて高くなる。この状態で吸脱着ボックス２２内の水蒸気が、放熱部材５０の内面（凝結面）に接触すると、その水蒸気から熱が奪われて、放熱部材５０の内面に水滴ができる。この水滴は、自重で傾斜した放熱部材５０の内面を伝って吸脱着ボックス２２の下端側へ集まり、さらにホース３４側へと集まり、ホース３４を介して吸脱着ボックス２２の外部へと導出されて、タンク２０の内部に貯められる。
【００３７】
以上説明した水捕集装置の性能を確認するため、この水捕集装置を二昼夜にわたって稼働させた。実験初日の昼間は主に蓄電器１２の充電を行う期間であり、初日から二日目にかけての夜間は主に水蒸気の吸着を行う期間であり、二日目の昼間は主に水の捕集を行う期間である。実験日は、両日とも晴天で、最高気温は２４℃であった。この実験の結果、タンク２０に８６０ｇの水を捕集することができた。したがって、この水捕集装置によれば、大気中に存在する水蒸気を捕集して水を創り出すことができ、その水を灌漑用等の用途に利用することができる。
【００３８】
特に、海水から真水を製造する方法とは異なり、水を創り出すに当たって、原水となる海水等は不要であり、近くに海が存在しない内陸部においても、水を創り出すことができるので、例えば、中国内陸部のような砂漠地帯において砂漠化の防止および緑化を図る上では、きわめて有効な手段になると期待される。また、将来的には、宇宙ステーションの内部において水を創出する装置としても応用可能である。
【００３９】
なお、比較のため、上記吸脱着剤４６に代えてコーティング前のＡ型シリカゲルを用い、それ以外は上記実験と全く同様の条件で、水捕集装置を稼働させてみた。その結果、タンク２０には、４００ｇの水を捕集することができた。
したがって、この比較実験から、シリカゲルに黒色のコーティングを施したことにより、水の捕集量を増大させることができることがわかる。
【００４０】
これは、比較的透明度の高いシリカゲルでは、太陽光の透過率が高く、シリカゲルの加熱に利用できる太陽エネルギーの割合が相対的に小さくなるため、シリカゲルが吸着した水分のうちのいくらかが脱着されないままになり、その分だけ水として回収できる量が少なくなるためではないかと考えられる。これに対し、上記吸脱着剤４６の場合は、太陽光の吸収率が高いため、シリカゲルが十分に加熱されて高温となり、その結果、シリカゲルから脱着される水分の量がより多くなり、水として回収できる量も多くなるのではないかと考えられる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、カーボンブラックを分散させたアクリルエマルジョン塗料を用いて、シリカゲルに黒色のコーティング被膜を施したものを、吸脱着剤として用いていたが、以下に説明するような吸脱着剤を用いてもよい。
【００４２】
例えば、１０％ケイ酸ソーダと１．２５ｍｏｌ／ｌの硫酸とを混合してシリカヒドロゲルを製造する際に、硫酸に墨汁１％を添加することにより、墨汁がシリカヒドロゲルの内部に分散してなる黒色のシリカヒドロゲルを得ることができる。この黒色のシリカヒドロゲルを、さらに水洗、ｐＨ６で６０℃、１２時間熟成させた後、乾燥すれば、黒色のシリカゲルを得ることができる。この黒色シリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４３】
また、イオン交換水２００ｇに界面活性剤（アニオン系（ポリカルボン酸系）高分子界面活性剤；商品名：フローレンＴＧ−７５０Ｗ、共栄社化学株式会社製）１６０ｇ、消泡剤（特殊シリコン＋疎水性シリカ；商品名：アクアレン８２０、共栄社化学株式会社製）１．３ｇを加えて、ホモミクサー（４０ｍｍφジェットタービン羽根）で撹拌しながら溶解させ、カーボンブラックを４０ｇずつ４回にわたって添加し、添加毎にヘラで撹拌する。続いて、ホモミクサーにより周速度１３．６ｍ／ｓで３０分間撹拌することにより、水系カーボンブラックペーストを得る。そして、この水系カーボンブラックペーストを上記の墨汁に代えて利用することにより、上記と同様の手順で黒色のシリカゲルを得ることができる。この黒色シリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４４】
さらに、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉの中から選ばれる１種の酸化物または２種以上の複合酸化物からなる粒径１０μｍ以下（好ましくは１μｍ以下）の顔料を、シリカゾル、高分子エマルジョン接着剤、塗料により分散させて水系コーティング組成物を調製し、これをシリカゲル表面に噴霧、乾燥することにより、太陽光の吸収率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の放射率が低い選択吸収材料からなるコーティング被膜が表面に形成されたシリカゲルを得ることができる。この選択吸収性被膜付きシリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、タイマー１４を用いて、送付機１６の作動／停止を制御していたが、タイマー１４に代えて光センサを用いることにより、暗い時に送付機１６を作動させて明るい時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。また、タイマー１４に代えて温度センサを用いることにより、温度が下がった時に送付機１６を作動させて温度が上がった時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。さらに、タイマー１４に代えて湿度センサを用いることにより、相対湿度が上がった時に送付機１６を作動させて相対湿度が下がった時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態として説明した水捕集装置の全体構成図である。
【図２】吸脱着器の斜視図である。
【図３】（ａ）は吸脱着ボックスの縦断面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・太陽電池、１２・・・蓄電器、１４・・・タイマー、１６・・・送風機、１８・・・吸脱着器、２０・・・タンク、２２・・・吸脱着ボックス、２４・・・スタンド、２６・・・断熱部、２８・・・光透過面、３０・・・導入口、３２・・・排出口、３４・・・ホース、４０・・・第１透明部材、４２・・・第２透明部材、４４・・・スペーサー、４６・・・吸脱着剤、４８・・・金網、５０・・・放熱部材、５２・・・放熱フィン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、水捕集装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、地球上では各地で大規模な砂漠化が進行している。特に、中国においては、干ばつなどの自然的要因の他に、放牧地の再生能力を超えた家畜の放牧や過耕作による生態系破壊といった人災的要因も加わって、砂漠化地域は加速的に拡大している。
【０００３】
こうした砂漠化の防止および緑化に関する手法としては、イオン交換樹脂法、逆浸透膜法、蒸留法などによって、海水から真水を製造し、この真水で灌漑する方法や、砂漠にコールタールやシートを張り、その上に吸水性樹脂を積層したり、吸水性組成物を地中に埋めたりすることにより、土壌の保水力を改善する方法などが提言されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−３１３６８４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のような従来技術のうち、海水から真水を製造する方法では、海水が原水として必要になるので、近くに海が存在しない内陸部まで海水を運ぶには、莫大なコストがかかってしまう、という欠点がある。
【０００６】
また、土壌の保水力を改善する方法は、貴重な水資源を少しでも土壌に蓄えて活用しようとするものに過ぎず、自ら水を創成する技術ではないため、結局、水源としては、降雨を待つといった不安定なものに頼らざるを得ない。
さらに、地球環境保全の観点からは、無害で安全であることが求められ、また、永続的な運用を考えると、できる限り運用コストを抑えることができることも重要である。
【０００７】
本発明は、上記のような背景の下で完成されたものであり、その目的は、海水のような原水を入手しにくい場所であっても、安全に低コストで水を創り出すことができる水捕集装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段、および発明の効果】
以下、上記目的を達成するためになされた本発明の特徴について詳述する。
本発明の水捕集装置は、
太陽光が透過する光透過面、および内部の水蒸気を凝結させる凝結面を有する容器と、
該容器内に配置され、前記容器内の相対湿度が上昇すると前記容器内の空気中から水蒸気を吸着する一方、前記光透過面を透過した太陽光が照射されると加熱されて吸着水を前記容器内の空気中へ脱着する吸脱着剤と、
前記容器内の空気と外気とを入れ替える換気手段と、
外気の相対湿度が高くなる状況下において前記換気手段を作動させる一方、太陽光が照射される状況下において前記換気手段を停止させる制御を実行する制御手段とを備え、
前記換気手段を作動させた際には、前記容器内へ外気を導入して前記吸脱着剤で水蒸気を吸着する一方、前記換気手段を停止させた際には、太陽光で前記吸脱着剤を加熱して前記吸脱着剤から水蒸気を脱着させるとともに、前記容器内の凝結面で水蒸気を凝結させることによって水を捕集するように構成された水捕集装置であって、
前記吸脱着剤が、多孔質材料からなる基材の内部に、前記多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、前記多孔質材料からなる基材の表面に、前記太陽光吸収材料をコーティングしたものである
ことを特徴とする。
【０００９】
この水捕集装置において、容器は、上述の如き光透過面および凝結面を有するものである。光透過面は、吸脱着剤に照射されることになる太陽光を透過させるために設けられたものである。この光透過面は、太陽光の透過率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の反射率が高い低輻射透明体（例えば、低輻射ガラス、または低輻射ガラスと同様の低輻射コーティング膜が形成された透明樹脂など）によって形成されていると、太陽光によって加熱された吸脱着剤から放射される赤外線が光透過面で反射されて、容器内が効率よく加熱されるので望ましい。凝結面は、接触した水蒸気を凝結させて水滴化する面である。凝結面に接触した水蒸気を効率よく凝結させるためには、凝結面が親水性表面となっているものが望ましい。また、水蒸気から熱を奪って凝結させるためには、凝結面から得た熱を速やかに凝結面以外に伝達、放出できるような構造になっているとよく、例えば、凝結面が容器内の空気に接するとともに、凝結面の裏側の面が外気に接するように構成され、これにより、外気側へと熱を逃がすような構造になっているとよい。また、凝結面は、平面に限らず、波板状などの曲面であってもよく、さらに、平滑な凝結面に限らず、梨地、バレル研磨やショットブラスト加工が施された表面構造としてもよい。
【００１０】
吸脱着剤は、多孔質材料からなる基材の内部に、前記多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、前記多孔質材料からなる基材の表面に、前記太陽光吸収材料をコーティングしたものである。
ここで、多孔質材料は、周囲の空気の温度および相対湿度、吸脱着剤自体の温度および吸着水の量に応じて、空気中から水蒸気を吸着、または、吸着水を空気中へ脱着する能力（吸脱着能）を有するものである。このような多孔質材料としては、シリカゲル、ゼオライト、活性アルミナ、活性炭などがを挙げることができるが、中でも、シリカゲルは、細孔径の制御が容易で、吸脱着性能の最適化が容易なので特に好適である。本装置において採用可能なシリカゲルとしては、例えば、細孔径が２ｎｍ〜１０ｎｍに制御されたシリカゲルを用いることができ、一般的には、Ａ型シリカゲル、Ｂ型シリカゲルが、この程度の細孔径を有している。
【００１１】
また、太陽光吸収材料は、少なくとも多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高いものである。例えば、黒色材料は、他の有色材料に比べて太陽光の吸収率が高いので、太陽光吸収材料として好適である。また、太陽光の吸収率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の放射率が低い選択吸収材料は、太陽光を吸収して温度が上昇した場合でも、赤外線の放射によるエネルギーの損失が抑制されるので、これもを招かないので、太陽光吸収材料として好適である。このような選択吸収材料としては、例えば、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉの中から選ばれる１種の酸化物または２種以上の複合酸化物などを挙げることができる。以上のような太陽光吸収材料は、基材の内部に分散させるか、基材の表面にコーティングされる。シリカゲルのように基材の透明性が高い場合には、太陽光吸収材料を基材の内部に分散させてもよいし基材の表面にコーティングしてもよく、基材の透明性が低い場合には、太陽光吸収材料を基材の表面にコーティングするのが望ましい。
【００１２】
このようにして構成される吸脱着剤は、所期の吸脱着能を有するものであれば、球状や破砕状などの粒状物であっても、ハニカム状やボード状などの成形体であってもよい。吸脱着剤の吸脱着能は、もちろん高ければ高いほどよいが、目安としては、例えば、前記吸脱着剤が、前記容器内の相対湿度が１０％〜８０％の間で変化した場合に、自重に対する重量比で少なくとも１０重量％の水を吸脱着する吸脱着能力を有すると望ましい。このような吸脱着剤を用いると、１０重量％未満の水しか吸脱着できないものに比べ、過大な量の吸脱着剤を用いなくてもよくなり、その分だけ装置全体を小型化することができる。
【００１３】
換気手段は、容器内の空気と外気とを入れ替える手段であり、例えば、電動式の送風機などによって構成される。電動式の送風機を用いる場合は、電気エネルギーを供給する給電手段が必要である。この給電手段としては、例えば、太陽電池と、該太陽電池よって得られた電気エネルギーを蓄積する蓄電手段とを備え、該蓄電手段に蓄積した電気エネルギーで前記換気手段を作動させるように構成したものを考えることができる。このように構成すれば、本装置外から電力を供給しなくても、本装置単独で電気エネルギーを確保できるので、本装置外からの電力供給が望めないような場所でも、本装置を稼働させることができるので望ましい。この場合、蓄電手段としては、公知の各種蓄電池、蓄電器を任意に利用できる。但し、砂漠のような寒暖の変化が激しい場所で使用するには、前記蓄電手段が、電気二重層キャパシタであると望ましい。電気二重層キャパシタは、８０℃程度の高温環境でも充放電が可能なので、砂漠のような高温環境でも利用することができる。また、電気二重層キャパシタは、化学反応を伴わずに充放電できることから、１０万回〜１００万回程度の充放電を繰り返しても基本的には劣化しないので、砂漠のような場所でもメンテナンスフリーで利用することができる。さらに、電気二重層キャパシタは、鉛やカドミウムといった有害物質を使用せずに、無公害の活性炭電極やアセトニトリル系の電解液などで構成できるので、環境汚染の恐れが無く、この点では、砂漠のような場所に無人で放置しても安全である。なお、給電手段としては、上記太陽電池と蓄電手段との組み合わせ以外の手段であってもよく、例えば、風力発電機と蓄電手段とを組み合わせてもよい。
【００１４】
制御手段は、換気手段の作動／停止を制御する手段であり、タイマーやセンサなどからの入力を条件として作動するスイッチによって構成される。すなわち、この制御手段は、外気の相対湿度が高くなる状況下において換気手段を作動させる一方、太陽光が照射される状況下において換気手段を停止させるが、これらの各状況になったかどうかは、タイマーもしくはセンサによって判断することができる。例えば、タイマーを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された第１の時間帯に換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された第２の時間帯に換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。また、光センサや太陽電池を用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された明るさ以上の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された明るさ未満の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。また、温度センサを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された温度以上の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された温度未満の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。さらに、湿度センサを用いる構成であれば、日中に相当するあらかじめ設定された相対湿度未満の状態が検出されたら換気手段を停止させ、夜間に相当するあらかじめ設定された相対湿度以上の状態が検出されたら換気手段を作動させるように、換気手段を制御する。これらの制御方法は、厳密には換気手段の作動開始／停止のタイミングが異なるが、概ね外気の相対湿度が高くなる状況下では換気手段が作動し、日射に伴って外気の気温が上昇して相対湿度が低くなる状況下では換気手段が停止するように、換気手段を制御することができる。
【００１５】
以上のように構成された水捕集装置は、次のように動作する。
まず、外気の相対湿度が高くなる状況下では換気手段が作動して、高湿な外気を容器の内部に導入し、これにより、容器内の吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。例えば、夜間の砂漠では相対湿度が１００％近くに達するので、この外気を容器の内部に導入して、吸脱着剤に水蒸気を吸着させる。
【００１６】
通常、水蒸気吸着は、吸着熱が非常に多く発生し、吸脱着剤温度および容器内空気温度が上昇するので、飽和吸着状態にはなりにくいが、換気手段によって高湿な外気を大量に導入し、吸着熱によって加熱された容器内の空気と外気とを入れ替えることにより、容器内の空気の温度上昇は抑制することができる。その結果、容器内では温度上昇が抑制され、同時に高湿な空気が供給され、吸着飽和状態まで吸着を進めることが可能となる。
【００１７】
一方、換気手段が作動を停止した後、太陽光が照射される時間帯になると吸脱着剤が加熱され、吸脱着剤から容器内の空気中へ吸着水が脱着される。特に、この吸脱着剤は、多孔質材料からなる基材の内部に、多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、多孔質材料からなる基材の表面に、太陽光吸収材料をコーティングしたものであるため、太陽光を効率よく吸収して吸脱着剤自体が高温になるので、同種の多孔質材料からなる基材のみで構成された吸脱着剤に比べ、吸着水を脱着させる能力は高くなっている。この時は、換気手段が作動していないので、容器の内外では実質的な空気の入れ換えが起こらず、容器内の湿度はきわめて高くなる。この状態で容器内の水蒸気が、容器内の凝結面に接触すると、凝結面が水蒸気から熱を奪い、凝結面には水滴ができる。したがって、この水滴を集めることにより、水を得ることができる。
【００１８】
凝結面において凝結してできた水滴は、どのような方法で集めてもよく、例えば、凝結面を垂直面または傾斜面としておくことにより、水滴が自重で凝結面の下端側へ集まるようにしてもよいし、凝結面から滴り落ちる水滴を漏斗で集めるようにしてもよい。こうして集められた水は、例えば、タンクなどに回収してもよいし、そのまま土壌に放出して土壌への水分補給を行うような構成にしてもよい。
【００１９】
このような水捕集装置によれば、大気中に存在する水蒸気を捕集して水を創り出すことができる。したがって、海水から真水を製造する方法とは異なり、水を創り出すに当たって、原水となる海水等は不要であり、近くに海が存在しない内陸部においても、水を創り出すことができ、その水を灌漑用等の用途に利用することができる。
【００２０】
特に、この水捕集装置は、外気の相対湿度が高くなる状況下においては、吸脱着剤を使って大気中から積極的に水蒸気を吸着させ、太陽光が得られる状況下においては、太陽光吸収材料を利用して吸脱着剤を効果的に加熱することで、効率よく水を捕集するので、この種の吸脱着剤を利用しないシステムはもちろんのこと、太陽光吸収材料を含まない多孔質材料で水蒸気を吸着するシステムと比べた場合でも、水の捕集能力が高いものとなる。
【００２１】
しかも、この水捕集装置の作動に必要なエネルギーは、太陽エネルギーや風力エネルギー（いわゆるソフトエネルギー）でまかなうことができるので、砂漠のような給電設備のない場所での稼働も可能であり、装置の稼働に伴う二酸化炭素の排出や有害物質の排出も無いので、環境に対する負荷もきわめて小さい。したがって、砂漠化の防止および緑化といった環境保全のために用いる装置としては、きわめて有望な装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について、一例を挙げて説明する。
以下に説明する水捕集装置は、図１に示すように、太陽電池１０、蓄電器１２、タイマー１４、送風機１６、吸脱着器１８、およびタンク２０を備えている。
【００２３】
太陽電池１０は、太陽光を電気エネルギーに変換する装置である。
蓄電器１２は、太陽電池１０から送られてくる電気エネルギーを蓄積する装置であり、本実施形態においては、複数の電気二重層キャパシタによって構成されている。各電気二重層キャパシタは、多孔性セパレータを介装することによって互いに絶縁された一対の多孔性炭素電極と電解液とを密閉容器に封入し、これら多孔性炭素電極および電解液によって一対の分極性電極を形成した構造のものである。この電気二重層キャパシタにおいて、多孔性炭素電極としては、水酸化カリウムによって賦活したピッチ系活性炭が用いられ、電解液としては、プロピレンカーボネートとアセトニトリルとの１：１混合物にテトラエチルアンモンテトラフルオロボレートを溶解してなる有機系電解液が用いられている。蓄電器１２は、複数の電気二重層キャパシタを直列および並列に組んで構成されている。なお、蓄電器１２については、送風機１６の性能に応じて、電気二重層キャパシタ単独で構成してもよいし、キャパシタと電池とを組み合わせて構成してもよく、例えば、キャパシタと冷暖房機能を備えた電池とを併用で使用する場合もある。
【００２４】
タイマー１４は、事前にセットされた時間帯にのみ蓄電器１２側と送風機１６側とを電気的に接続するスイッチング回路である。本実施形態においては、午後６時になると送風機１６に電力が供給され、午前６時になると送風機１６への電力供給が停止されるように、各時刻がセットされている。
【００２５】
送風機１６は、蓄電器１２から電力が供給されると作動して、吸脱着器１８の内部へ外気を送り込む装置で、本実施形態においては、消費電力１９Ｗで、吸脱着器１８内へ、圧力１９６Ｐａ、風量１６６ｍ３／ｈの空気を送り込み可能なものを利用している。
【００２６】
吸脱着器１８は、夜間には、送風機１６から送られる空気中から水蒸気を吸着する第１の状態になり、昼間には、太陽光での加熱により吸着水を脱着させ、その脱着に伴って増大する水蒸気を凝結させて水にする第２の状態になり、これら２つの状態を１日周期で繰り返すことによって、水を捕集するものである。
【００２７】
タンク２０は、吸脱着器１８によって捕集した水を貯めておく容器である。
次に、吸脱着器１８の具体的な構造について詳述する。
吸脱着器１８は、図２に示すように、吸脱着ボックス２２（本発明でいう容器に相当）と、スタンド２４とで構成されている。
【００２８】
吸脱着ボックス２２は、四方の側面側が断熱材によって形成された断熱部２６、上面側が光透過性材料（本実施例では、ポリカーボネート）によって形成された光透過面２８となっている。また、断熱部２６の一側面には、送風機１６からの空気を導入する導入口３０が設けられ、断熱部２６の別の一側面には、吸脱着ボックス２２内の空気を排出する排出口３２が設けられている。そして、断熱部２６の隅には、吸脱着ボックス２２の内部において捕集される水を、吸脱着ボックス２２の外部へ導出するためのホース３４が設けられている。
【００２９】
スタンド２４は、吸脱着ボックス２２を傾斜させた状態で支持するもので、本実施例においては、図２に示した角度θ１が３０〜４５度、角度θ２が５〜１０度となっている。
吸脱着ボックス２２の光透過面２８は、図３（ａ）および同図（ｂ）に示すように、間隔をあけて配置された第１透明部材４０および第２透明部材４２によって構成され、第１透明部材４０と第２透明部材４２との間には、両者の間隔を維持するために、断熱材によって形成されたスペーサー４４が介装されている。これら第１透明部材４０および第２透明部材４２は、いずれも本実施例においてはポリカーボネート製の波板によって構成されており、第２透明部材４２の下面（第１透明部材４０と対向する面の裏側になる面）については、太陽光の透過率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の反射率が高い低輻射コーティング膜（本実施形態では、スパッタリングによって形成した酸化亜鉛を主成分とする透明導電膜）が形成されている。
【００３０】
光透過面２８の下方には、第２透明部材４２とは間隔をあけて吸脱着剤４６が配置されている。本実施形態において、吸脱着剤４６は、細孔径２ｎｍ〜１０ｎｍのＡ型シリカゲルの表面に、黒色のコーティング膜を施したものである。このコーティング膜は、カーボンブラックを分散させたアクリルエマルジョン塗料を、水で２倍に希釈して、これを霧吹きノズルから噴霧しつつシリカゲルをボールの中で撹拌して、シリカゲルの表面に黒色のコーティング膜を形成したものである。コーティング膜を形成する際には、コーティング前にシリカゲルに細孔容積相当量の水を含浸させておき、コーティング後にシリカゲルを十分乾燥させることにより、シリカゲルの細孔構造がコーティング組成物によって潰されるのを抑制することができる。吸脱着ボックス２２内には、１２．５ｋｇの吸脱着剤４６が、７０ｃｍ×１６０ｃｍの範囲に略均一な厚さで敷き詰められている。
【００３１】
金網４８の下方には、金網４８とは間隔をあけて放熱部材５０が配置されている。放熱部材５０は、熱伝導率の高い金属（例えば、アルミニウム、銅など）で形成されており、金網４８と対向する上面側が、吸脱着ボックス２２内部の水蒸気を凝結させる凝結面となっていて、その裏面である下面側には、複数の放熱フィン５２が形成されている。複数の放熱フィン５２は、上下方向に延びるかたちで平行に形成されており、これにより、放熱部材５０から受けた熱で加熱された空気が、対流によってスムーズに上方へと流れるようになっている。
【００３２】
このように構成された吸脱着器１８において、吸脱着ボックス２２の光透過面２８は、昼間は、外部から入射する太陽光を内部へ透過させる。これにより、その透過させた太陽光で吸脱着剤４６を加熱することができる。また、放熱部材５０は、熱伝導率が高い金属によって形成され、且つ、外面側の放熱フィン５２が外気にさらされているため、光透過面２８を透過した太陽光によって吸脱着剤４６が加熱されて吸着水を脱着し、吸脱着ボックス２２内部の水蒸気量が上昇した際には、水蒸気が放熱部材５０の内面に接触して凝結する。放熱部材５０の内面には、上記スタンド２４による角度θ１（３０〜４５度）の傾きがあるので、放熱部材５０の内面に付着した水は、放熱部材５０の内面を伝って吸脱着ボックス２２の最下部に集まる。そして、吸脱着ボックス２２の最下部に集まった水は、上記スタンド２４による角度θ２（５〜１０度）の傾きによって、ホース３４側へと集まり、このホース３４を介して吸脱着ボックス２２の外部へと導出される水が、タンク２０の内部に貯められるようになっている。
【００３３】
このように構成された水捕集装置は、次のように動作する。
まず、午前６時から午後６時までの時間帯には、タイマー１４が送風機１６への電力供給を停止する。この時間帯には、太陽光が太陽電池１０に照射されるので、太陽電池１０から蓄電器１２に電気エネルギーが送られる。蓄電器１２に送られる電気エネルギーは、僅かな待機電力（例えばタイマー１４の計時動作に必要な電力等）を除き、大部分が蓄電器１２に蓄積される。
【００３４】
その後、午後６時から午前６時までの時間帯には、タイマー１４が蓄電器１２から送風機１６へ電力を供給する。これにより、送風機１６が作動して、外気が吸脱着ボックス２２の内部に導入される。この時間帯は、外気温が低下するのに伴って外気の相対湿度が上昇するので、外気を吸脱着ボックス２２の内部に導入すると、吸脱着ボックス２２内の吸脱着剤４６に水蒸気を吸着させることができる。
【００３５】
この時、吸脱着剤４６からは、非常に多くの吸着熱が発生するが、吸脱着ボックス２２内には、送風機１６から連続的に外気が送り込まれて、吸着熱によって加熱された空気と外気とが入れ替わるので、吸脱着ボックス２２内の温度上昇は抑制される。特に、第２透明部材４２が、波板状になっていることから、吸脱着ボックス２２内に送り込まれた空気の流れは、乱流となって吸脱着ボックス２２内全体に広がるので、吸脱着ボックス２２内にはまんべんなく外気が送り込まれて、内気と外気とが交換される。そのため、吸脱着ボックス２２内では温度上昇が抑制され、同時に高湿な空気が供給され、吸着飽和状態まで吸着を進めることができる。
【００３６】
さて、その後、再び午前６時から午後６時までの時間帯になると、タイマー１４が送風機１６への電力供給を停止する。この時間帯には、上述の通り、太陽光による充電が行われるが、同時に、光透過面２８を透過した太陽光が吸脱着剤４６に照射され、その輻射熱によって吸脱着剤４６が加熱される。吸脱着剤４６が加熱されると、吸脱着剤４６から吸脱着ボックス２２内の空気中へ吸着水が脱着される。この時は、送風機１６が作動していないので、吸脱着ボックス２２の内外間で空気の入れ換えが起こらず、吸脱着ボックス２２内の湿度はきわめて高くなる。この状態で吸脱着ボックス２２内の水蒸気が、放熱部材５０の内面（凝結面）に接触すると、その水蒸気から熱が奪われて、放熱部材５０の内面に水滴ができる。この水滴は、自重で傾斜した放熱部材５０の内面を伝って吸脱着ボックス２２の下端側へ集まり、さらにホース３４側へと集まり、ホース３４を介して吸脱着ボックス２２の外部へと導出されて、タンク２０の内部に貯められる。
【００３７】
以上説明した水捕集装置の性能を確認するため、この水捕集装置を二昼夜にわたって稼働させた。実験初日の昼間は主に蓄電器１２の充電を行う期間であり、初日から二日目にかけての夜間は主に水蒸気の吸着を行う期間であり、二日目の昼間は主に水の捕集を行う期間である。実験日は、両日とも晴天で、最高気温は２４℃であった。この実験の結果、タンク２０に８６０ｇの水を捕集することができた。したがって、この水捕集装置によれば、大気中に存在する水蒸気を捕集して水を創り出すことができ、その水を灌漑用等の用途に利用することができる。
【００３８】
特に、海水から真水を製造する方法とは異なり、水を創り出すに当たって、原水となる海水等は不要であり、近くに海が存在しない内陸部においても、水を創り出すことができるので、例えば、中国内陸部のような砂漠地帯において砂漠化の防止および緑化を図る上では、きわめて有効な手段になると期待される。また、将来的には、宇宙ステーションの内部において水を創出する装置としても応用可能である。
【００３９】
なお、比較のため、上記吸脱着剤４６に代えてコーティング前のＡ型シリカゲルを用い、それ以外は上記実験と全く同様の条件で、水捕集装置を稼働させてみた。その結果、タンク２０には、４００ｇの水を捕集することができた。
したがって、この比較実験から、シリカゲルに黒色のコーティングを施したことにより、水の捕集量を増大させることができることがわかる。
【００４０】
これは、比較的透明度の高いシリカゲルでは、太陽光の透過率が高く、シリカゲルの加熱に利用できる太陽エネルギーの割合が相対的に小さくなるため、シリカゲルが吸着した水分のうちのいくらかが脱着されないままになり、その分だけ水として回収できる量が少なくなるためではないかと考えられる。これに対し、上記吸脱着剤４６の場合は、太陽光の吸収率が高いため、シリカゲルが十分に加熱されて高温となり、その結果、シリカゲルから脱着される水分の量がより多くなり、水として回収できる量も多くなるのではないかと考えられる。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、カーボンブラックを分散させたアクリルエマルジョン塗料を用いて、シリカゲルに黒色のコーティング被膜を施したものを、吸脱着剤として用いていたが、以下に説明するような吸脱着剤を用いてもよい。
【００４２】
例えば、１０％ケイ酸ソーダと１．２５ｍｏｌ／ｌの硫酸とを混合してシリカヒドロゲルを製造する際に、硫酸に墨汁１％を添加することにより、墨汁がシリカヒドロゲルの内部に分散してなる黒色のシリカヒドロゲルを得ることができる。この黒色のシリカヒドロゲルを、さらに水洗、ｐＨ６で６０℃、１２時間熟成させた後、乾燥すれば、黒色のシリカゲルを得ることができる。この黒色シリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４３】
また、イオン交換水２００ｇに界面活性剤（アニオン系（ポリカルボン酸系）高分子界面活性剤；商品名：フローレンＴＧ−７５０Ｗ、共栄社化学株式会社製）１６０ｇ、消泡剤（特殊シリコン＋疎水性シリカ；商品名：アクアレン８２０、共栄社化学株式会社製）１．３ｇを加えて、ホモミクサー（４０ｍｍφジェットタービン羽根）で撹拌しながら溶解させ、カーボンブラックを４０ｇずつ４回にわたって添加し、添加毎にヘラで撹拌する。続いて、ホモミクサーにより周速度１３．６ｍ／ｓで３０分間撹拌することにより、水系カーボンブラックペーストを得る。そして、この水系カーボンブラックペーストを上記の墨汁に代えて利用することにより、上記と同様の手順で黒色のシリカゲルを得ることができる。この黒色シリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４４】
さらに、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｎｉの中から選ばれる１種の酸化物または２種以上の複合酸化物からなる粒径１０μｍ以下（好ましくは１μｍ以下）の顔料を、シリカゾル、高分子エマルジョン接着剤、塗料により分散させて水系コーティング組成物を調製し、これをシリカゲル表面に噴霧、乾燥することにより、太陽光の吸収率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の放射率が低い選択吸収材料からなるコーティング被膜が表面に形成されたシリカゲルを得ることができる。この選択吸収性被膜付きシリカゲルも吸脱着剤として好適なものであり、太陽光の吸収率が高く、太陽光を照射することによって無色のシリカゲル以上に吸着水を脱着させることができる。
【００４５】
さらに、上記実施形態では、タイマー１４を用いて、送付機１６の作動／停止を制御していたが、タイマー１４に代えて光センサを用いることにより、暗い時に送付機１６を作動させて明るい時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。また、タイマー１４に代えて温度センサを用いることにより、温度が下がった時に送付機１６を作動させて温度が上がった時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。さらに、タイマー１４に代えて湿度センサを用いることにより、相対湿度が上がった時に送付機１６を作動させて相対湿度が下がった時に送付機１６を停止させる制御を行っても、ほぼ同様に水の捕集を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態として説明した水捕集装置の全体構成図である。
【図２】吸脱着器の斜視図である。
【図３】（ａ）は吸脱着ボックスの縦断面図、（ｂ）はＡ−Ａ線断面の一部を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・太陽電池、１２・・・蓄電器、１４・・・タイマー、１６・・・送風機、１８・・・吸脱着器、２０・・・タンク、２２・・・吸脱着ボックス、２４・・・スタンド、２６・・・断熱部、２８・・・光透過面、３０・・・導入口、３２・・・排出口、３４・・・ホース、４０・・・第１透明部材、４２・・・第２透明部材、４４・・・スペーサー、４６・・・吸脱着剤、４８・・・金網、５０・・・放熱部材、５２・・・放熱フィン。
Claims (6)
- 太陽光が透過する光透過面、および内部の水蒸気を凝結させる凝結面を有する容器と、
該容器内に配置され、前記容器内の相対湿度が上昇すると前記容器内の空気中から水蒸気を吸着する一方、前記光透過面を透過した太陽光が照射されると加熱されて吸着水を前記容器内の空気中へ脱着する吸脱着剤と、
前記容器内の空気と外気とを入れ替える換気手段と、
外気の相対湿度が高くなる状況下において前記換気手段を作動させる一方、太陽光が照射される状況下において前記換気手段を停止させる制御を実行する制御手段とを備え、
前記換気手段を作動させた際には、前記容器内へ外気を導入して前記吸脱着剤で水蒸気を吸着する一方、前記換気手段を停止させた際には、太陽光で前記吸脱着剤を加熱して前記吸脱着剤から水蒸気を脱着させるとともに、前記容器内の凝結面で水蒸気を凝結させることによって水を捕集するように構成された水捕集装置であって、
前記吸脱着剤が、多孔質材料からなる基材の内部に、前記多孔質材料よりも太陽光の吸収率が高い太陽光吸収材料を分散させたもの、または、前記多孔質材料からなる基材の表面に、前記太陽光吸収材料をコーティングしたものである
ことを特徴とする水捕集装置。 - 前記太陽光吸収材料が、黒色材料である
ことを特徴とする請求項１に記載の水捕集装置。 - 前記太陽光吸収材料が、太陽光の吸収率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の放射率が低い選択吸収材料である
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水捕集装置。 - 前記容器の光透過面が、太陽光の透過率が高く、波長２．５μｍ以上の赤外線の反射率が高い低輻射透明体によって形成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の水捕集装置。 - 前記吸脱着剤が、前記容器内の相対湿度が１０％〜８０％の間で変化した場合に、自重に対する重量比で少なくとも１０重量％の水を吸脱着する吸脱着能力を有する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の水捕集装置。 - 前記吸脱着剤の基材が、シリカゲルである
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の水捕集装置。
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