JP2005515070A

JP2005515070A - 回転式熱交換器

Info

Publication number: JP2005515070A
Application number: JP2003562555A
Authority: JP
Inventors: ゼブア，ウィリアム，エイチ
Original assignee: オベイション・プロダクツ・コーポレイション
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: AU2003210556A1; CN1642608A; JP4227022B2; WO2003062730A2; US20030132096A1; GB2399514B; GB2399514A; CN100496659C; WO2003062730A3; US6908533B2; GB0416438D0

Abstract

水などの液体の蒸留に使用される、複数の折り目すなわちヒダを有する回転式熱交換板を備えた蒸発凝縮装置。折り畳まれた板の隣り合うパネルは互いに向かい合った面の間に空間を規定し、それらの空間が交互に蒸発室または凝縮室として構成される。さらに隣接パネル間に規定された蒸発室は外径端の折り曲げ部で互いに接続され、隣接パネル間に規定された凝縮室は内径端の折り曲げ部で互いに接続される。従って、蒸発室は外径端部分が閉ざされ、内径端部分が開放される一方、凝縮室は内径端部分が閉ざされ、外径端部分が開放される。

Description

関連出願
この出願は、２０００年７月１２日に出願され本出願の譲受人に譲渡された、「ROTATING FLUID EVAPORATOR AND CONDENSER」と題する、同時係属中の米国特許出願第０９／６０９，８８１号に関連する。

本発明は蒸留装置に関し、詳しくは蒸気圧縮式蒸留器に使用される改良型で効率が高い回転式の蒸発器および凝縮器に関する。

蒸留は安全でない水源（海水や汚染された地下水など）から飲料水を作るための良く知られた方法である。蒸留は、水を加熱して沸騰させ、得られた蒸気（すなわち湯気）を集めて凝縮させることにより蒸留水を生成する。水を気化させると、水源に存在する多数の汚染物質がその後に残留する。従来の小型蒸留器は通常、タンクに入れた水を沸騰させるための電気加熱素子を備える。タンクの上に取り付けられた凝縮コイルが蒸気を集めて凝縮させる。その後、蒸留水は貯蔵タンクすなわち貯蔵室に移される。こうした煮沸式蒸留器は、比較的少量の蒸留水を生成するのにもかなり多くの電力を必要とするため非常に効率が悪く、少量の蒸留水を作る目的でしか使用されない。また、煮沸式蒸留器は動作が非常に遅く、わずか数ガロンの蒸留水を生成するのに何時間もかかることがある。

煮沸式蒸留器の他に薄膜蒸留器も提案されている。例えば、ペトレック他に付与された「MULTIPLE EFFECT THIN FILM DISILLATION SYSTEM AND PROCESS」と題する米国特許第４，４０２，７９３号は、太陽エネルギーを利用した薄膜蒸留器に関する発明である。’７９３号特許に記載の蒸留器では、互いに間隔を空けて配置された複数の並行なプレートを太陽に向けて配置する。プレートの上部から蒸留したい水を供給し、その水が各プレートの裏面をつたって流れ落ちるようにする。最初のプレートの表面を照らす太陽光はそのプレートを加熱し、裏面をつたって流れ落ちる水の一部を蒸発させる。その蒸気は、隣り合った次のプレートの表面で凝縮されるとともに、そのプレートの裏面の水の流れに熱を伝達する。以下同様である。各プレートの表面で生成された凝縮液はプレートの下部で個別に収集される。

従来の蒸留器よりも効率を高めることができる蒸気圧縮式蒸留器も知られている。蒸気圧縮式蒸留器の基本原理は、蒸気（例えば湯気）の圧力を上げ、更にその飽和温度を上げることにより効率を高めている。蒸気圧縮式蒸留器では、蒸発器で生成された蒸気を取り出し、それを圧縮して（その飽和温度を上げて）から凝縮器に供給する。そして凝縮器でその蒸気を凝縮し、蒸留液を生成する。さらに、その蒸気（飽和温度が上がっている）が凝縮する際に放出される気化熱を用いて、蒸留中の液体を加熱する（つまり蒸発させる）。強力な遠心圧縮器を用いた大型の蒸留器は、１時間あたり数百ガロンもの蒸留水を生成することができる。

効率を上げるため、蒸気圧縮式蒸留器で使用される回転式蒸発器も考案されている。例えば、ポーター他に付与された「ＥＶＡＰＯＲＡＴＯＲ」と題する米国特許第４，７３１，１５９号は、水平に積み上げられた複数の円盤を有する回転型蒸留器に関する発明である。それらの円盤はハウジングの中に配置され、中央シャフトを中心にして回転するように取り付けられる。円盤の縁部は一枚置きに隣りの円盤と密封され、密閉空間が画定される。密閉空間は、互いに向かい合った２枚の内面と、２枚の外面とを有する。外面は内面の反対側に位置する。さらに、各密閉空間は、隣り合った外面の間に設けられた一連の開口部およびワッシャによって互いに接続される。蒸留したい液体を注入口を通じてこのスタック状の回転円盤に注ぎ込み、各密閉空間の中に注入する。液体が密閉空間の中に入ってゆくとき、その液体は密閉空間の向かい合った内面の間を流れる。凝縮可能な蒸気をハウジング内に注ぎ込み、その蒸気が円盤の外側表面の周りを自由に流れるようにする。ただし、この蒸気は密閉空間の中には入らないようにする。

密閉空間内の液体は外側の蒸気よりも低温であるから、蒸気は円盤の外面に凝縮される。この凝縮液は回転円盤から振り落とされてハウジング内に集まり、ハウジング底部にある排出口から除去される。凝縮液は更に、円盤を介して液体に熱を伝え、密閉空間内の液体の一部を蒸発させる。この蒸気は液体注入口を通じて密閉空間から出てゆき、ハウジング上部から除去される。密閉空間内に残った気化されなかった液体は、開口部・ワッシャ構成により密閉空間を次々に通って上方へ流れ、同様に蒸留器の上部から取り出される。

’１５９特許の蒸留器の設計にはいくつかの利点があるものの、蒸発した液体が凝縮液に混入する危険性がかなり高いため、飲料蒸留水の生成には適していない。言い換えれば、’１５９特許の蒸留器を用いると、蒸留中の安全でない水が蒸留液に混ざる、つまり混入する可能性がある。例えば、密閉空間のどこかにリークがあると、密閉空間からハウジング内に液体が流入し、ハウジング内に収集している蒸留液に混ざってしまうことがある。また、ある種の水源が腐食性をもつことや、’１５９特許の蒸留器は開口部の数が多く、様々な密閉空間の間をワッシャで連通させなければならないことなどが原因で、そのような混入が起こる恐れは少なくない。

さらに、’１５９特許に開示されている蒸留器のような回転盤蒸留器は、製造コストも比較的高い。その主たる原因は材料の使用効率が悪いからである。’１５９特許の蒸留器のような回転式蒸留器の円盤は、矩形シート状の銅材から打ち抜きによって作るのが一般的である。そのため大抵の場合、相当な量の「無駄な」銅材（すなわち矩形シートの残りの部分）を生み出す。無駄な銅材は回収して売ることもできるが、銅の回収価格は本来の値段に比べて非常に安い。そのため、その浪費分も蒸留器の最終的な価格に反映しなければならない。

簡単に言うと、本発明は水などの液体を蒸留するのに使用される蒸発凝縮装置に関する。この蒸発凝縮装置は、複数の折り目すなわちヒダを有する回転式熱交換板を備える。具体的には、この熱交換板は、もとの形状が矩形であり、それをアコーディオン状に前後に折り畳んで両端を互いに繋ぎ合わせ、中央に穴の空いた概ね円形すなわち環状の形にしたものが好ましい。折り畳まれた板の隣り合ったパネルは向かい合った面の間に空間を画定する。そして、それらの空間が交互に蒸発室または凝縮室として構成される。なお、蒸発室は半径方向外側の折り目部分で互いに接続された隣り合うパネル間に画定されるのに対し、凝縮室は半径方向内側の折り目部分で互いに接続された隣り合うパネル間に画定される。つまり、蒸発室は半径方向外側の部分が封止すなわち密封され、半径方向内側の部分が開放されるのに対し、凝縮室は半径方向内側部分が封止すなわち密封され、半径方向外側部分が開放される。例示の実施形態では、蒸発室の密封された外径端部分からわずかに隙間を空けて水受けをかぶせている。折り畳まれた熱交換板は、各室を互いに密閉するために上端板と下端板の間に配置され、かつ外壁の中に配置される。熱交換板、上端板、下端板および外壁は、蒸留したい液体を入れる液だめ部を備えたハウジングの中に回転可能に取り付けられる。

下端板は、各蒸発室を液だめ部に連通させるように構成される。折り畳まれた熱交換板の半径方向外側の縁の周りに配置された密封リングが、凝縮室を液だめ部から密封する。回転要素が液体取り込み通路を画定する。この回転要素は外壁の一部であってもよい。液体取り込み通路の少なくとも一部は液だめ部の中にまで延びる。第１の静止汲み出し管は、折り畳まれた熱交換板の中央開口部から液体取り込み通路の中へ延びる。上端板は、少なくとも１つの蒸発口を、すなわち蒸発室に連通する通路を有する。第２の静止くみ出し管は、折り畳まれた熱交換板の反対側にある上端版付近に配置された凝縮液収集空間の中まで延びる。コンプレッサの入口は、各蒸発室に連通するハウジングの部分に接続される。コンプレッサの出口は、各凝縮室に連通するハウジングの部分に接続される。

動作時には、折り畳まれた熱交換板がその軸を中心にして回転し、回転要素がリング状に回転する液体プールを作り出し、その液体を第１の静止液体くみ出し管の中に押し込んで、各蒸発室の開放された内径端部分に送り込む。この液体は、熱交換板の回転によって加速され、外側に押し付けられる。この液体は、各蒸発室の隣り合ったパネルの向かい合った面に沿って流れ、その液体の一部が蒸発する。この蒸気は、各蒸発室の半径方向内側の開放端を通じて中央開口部に入る。蒸気は中央開口部からコンプレッサ入口へ流れる。蒸発しなかった残りの液体は全て、各蒸発室の外側の密封された縁部に集められ、液だめ部へ戻される。コンプレッサ出口から圧縮蒸気を凝縮室に送り込み、そこでその蒸気を各パネルの向かい合った面に沿って凝縮させる。凝縮液は、回転板によって生成される遠心力により、凝縮室の半径方向外側の端部に押し付けられる。凝縮液の少なくとも一部が、蒸発室の半径方向外側の密封された端部の周りに隙間を空けて配置された水受け部に捕捉される。凝縮液は水受け部から直ぐにあふれ出て、あふれ出た凝縮液が外壁の内面に集まる。この凝縮液は、液だめ部の向かいにある外壁をつたって上方へ流れ、１以上の凝縮液口を通って凝縮液収集空間に入る。凝縮液は、第２の静止汲み出し管により、凝縮液収集空間から回収される。

図１は、本発明による蒸気圧縮蒸留システム１００を示す非常に概略的な図である。概して、この蒸留システム１００は、非飲料水等のような蒸留したい液体を加熱するための、逆流形熱交換器等のような熱交換器１０２を含む。蒸留したい液体は、第１の管１０４から熱交換器１０２に供給される。加熱された液体は供給管１０８を通して蒸発凝縮装置１０６に移される。蒸発凝縮装置１０６には、該装置１０６に回転力を与えるためのモータ１１０が接続される。排出管１１２は、蒸発凝縮装置１０６から蒸留水等のような凝縮液を熱交換器１０２に戻すためのものである。もう１つの管１１３は、その凝縮液を熱交換器１０２から貯蔵タンク１１４へ移すためのものである。凝縮液は、管１１６を通して貯蔵タンク１１４から取り出される。システム１００は、入口１１８ａおよび出口１１８ｂを備えたコンプレッサ１１８を更に含む。本明細書で説明するように、コンプレッサ１１８は蒸発凝縮装置１０６に接続される。

図２および図３は、蒸発凝縮装置１０６の断面図および該装置１０６の部分分解図をそれぞれ示す。装置１０６は、底壁２０４、上壁２０６および概ね円筒形の側壁２０８を有するハウジング２０２（図２）を含む。ハウジング２０２の内部には、複数の折り目すなわちヒダを有する熱交換板２１０が配置される。以下で詳しく説明するように、熱交換板２１０は蒸発室と凝縮室を交互に規定する。板２１０は、中心軸Ａ−Ａを中心にして回転するように構成され、中心軸Ａ−Ａに対して半径方向内側の端部２１０ａと半径方向外側の端部２１０ｂとを有する。板２１０は、上端板２１２と下端板２１４の間に取り付けられる。上端板２１２および下端板２１４はいずれも、軸Ａ−Ａに対して垂直に配置される。熱交換板２１０および上端板／下端板２１２，２１４は外側スリーブ２１６の中に取り付けられる。外側スリーブ２１６は、側壁を規定する側面２１７を有し、ハウジングの底壁２０４付近に下部開口端２１８を有し、ハウジングの上壁２０６付近に部分的に閉ざされた上端部２２０を有する。すなわち、上端部２２０は棚状部分または舌状部分を形成する。上端板２１２とスリーブ２１６の上端部２２０との間は間隔が空けてあり、両者の間に、それらと実質的に平行な向きに円形の中間壁２２２が配置される。中間壁２２２の外側縁部２２２ａは、スリーブ２１６の内面に対して密封しておくのが好ましい。好ましい実施形態において、中間壁２２２（具体的にはその外側縁部２２２ａ）と、スリーブ２１６の上端部に形成された棚状部分は、協働して凝縮液収集空間２２３を形成する。

中間壁２２２により規定される公称面から延びるのは、煙突部２２４である。煙突部２２４は、スリーブ２１６の上端部２２０の開口部を通り、さらにハウジングの上壁２０６を通って上まで延びる。煙突部２２４の内部には管状の導管２２６を同心円状に配置し、導管２２６の第１の端部２２６ａを上端板２１２に取り付けて密封するのが好ましい。上端板２１２を貫通して１以上の通路２２８を形成し、板２１０の各蒸発室を導管２２６の内部に連通させるのが好ましい。好ましくは、導管２２６をコンプレッサの入口１１８ａに接続し、煙突２２４をコンプレッサの出口１１８ｂに接続する。

モータ１０８（図１）から延びる駆動シャフト２３０は、導管２２６の中を通り、適当な固定具または取り付け部品（図示せず）によって上端板２１２に固定される。従ってモータ１１０は、上端／下端板２１２，２１４、熱交換板２１０、スリーブ２１６および中間壁２２２からなる結合体を、中心軸Ａ−Ａを中心にして回転させることができる。供給管１０８から蒸留したい液体を受け取るための液だめ部２３２は、ハウジング２０２内部の底壁２０４付近に設けられる。スリーブ２１６の開口端２１８付近に回転要素を形成する。好ましい実施形態において、この回転要素は、概ねＵ字形の断面を持つ液体取り込み通路またはウェル２３４である。液体取り込み通路２３４の直ぐ隣りには、内向き湾曲部２３６をスリーブ２１６に形成する。内向き湾曲部２３６は下端板２１４の外側縁部２１４ａからわずかに離して配置され、両者の間に隙間Ｇが形成される。

装置１０６は第１の静止汲み出し管２３８をさらに有する。第１の静止くみ出し管２３８は、回転板２１０の回転方向とは逆の方向を向いた開口端２３８ａを有するのが好ましい。開口端２３８ａは、スリーブ２１６に形成されたＵ字形通路２３４の中に配置される。管２３８の開口端２３８ａの反対側の部分２３８ｂは、軸Ａ−Ａに対して実質的に平行な方向に、熱交換板２１０の内径端２１０ａに沿って上へ伸びる。この２３８ｂの部分に沿ってスロット２４０が形成される。

上端板の外側縁部２１２ａ付近には１以上の流体口２４４を形成するのが好ましい。図３に示すように、板２１２の外側縁部２１２ａに一連の歯を互いに間隔を空けて形成し、隣り合った歯の隙間によって流体口２４４を画定する。さらに、中間板２２２の外側縁部２２２ａ付近にも、１以上の凝縮液口２４６を形成する。第２の静止汲み出し管２４８は、ハウジングの上壁２０６を通して、さらにスリーブ２１６の上端部２２０の開口部を通して、凝縮液収集空間２２３の中にまで配設するのが好ましい。第２の静止汲み出し管２４８は空間２２３の中に配置された開口部２４８ａを有する。この開口部２４８ａも熱交換板２１０の回転方向とは逆の方向を向いている。第２の静止汲み出し管２４８は排出管１１２（図１）に接続される。

装置１０６は、下端板２１４付近において板２１０の半径方向外側の端部２１０ｂの周りを取り囲み、各凝縮室を各蒸発室と液だめ部２３２の両方から密封する密封リング２５０（図２）を更に有する。密封リング２５０は、下端板２１４の上面と、内向き湾曲部２３６におけるスリーブ２１６内面との両方に対して、密封されるように取り付けるのが好ましい。

折り畳まれた熱交換板２１０、上端板２１２、下端板２１４および密封リング２５０は、協働してハウジング２０２の内部に２つの空間を画定する。蒸発蒸気空間２５２は、板２１０の半径方向内側の縁２１０ａよりも中央寄りにあり、且つ下端板２１４よりも下にある空間から概ね構成される。蒸発蒸気空間２５２は、通路２２８を介してコンプレッサ入口１１８ａ（図１）と連通する。空間２５２は更に各蒸発室とも連通する。圧縮蒸気空間２５４は、板２１０の半径方向外側の縁２１０ｂよりも外側にあり、且つスリーブ２１６よりも内側にある空間から概ね構成される。後で説明するように、圧縮蒸気空間２５４はコンプレッサ出口１１８ｂおよび凝縮室と連通する。先に述べたように、蒸発蒸気空間２５２と圧縮蒸気空間２５４は、主に熱交換板２１０、上端／下端板２１２，２１４および密封リング２５０によって、互いに隔離される（すなわち密閉される）。

モータ１１０および／またはコンプレッサ１１８は、他の適当な場所に配置してもよい。例えばモータおよび／またはコンプレッサ１１８は、空間を節約する等の目的でハウジング２０２内に配置してもよい。

図４は、熱交換板２１０を分解した形で示す斜視図である。板２１０は、両端部４０２ａ，４０２ｂを有する一片の矩形材料から形成するのが好ましい。板２１０は、アコーディオン状に前後に折り畳まれ、複数の折り目すなわちヒダ４０４，４０６が交互に形成される。隣り合った折り目４０４と４０６の間にはそれぞれ、板２１０から実質的に平坦なパネル４０８が形成される。板２１０の両端部４０２ａと４０２ｂは互いに接続し、板２１０が中央開口部を有する円筒形または環状の形になるようにする。

好ましい実施形態において、板２１０は、銅やステンレス鋼等のような十分に高い熱伝導率を持つ材料からなる厚さ約０．００８インチの一枚の金属シートから形成される。板２１０は、折り畳んで環状の形にしたときに、内径が約５インチ、外径が約１２インチになる。本発明の熱交換板２１０は、銅等のような材料の一枚の矩形片から作成することができるので、製造時に発生する無駄な材料が少ない。または無い。つまり、板２１０は、従来技術の熱交換板と異なり、銅材の打ち抜きによって形成されるのではない。従って、本発明の蒸発凝縮装置１０６は、従来の装置に比べて安価に製造することができる。

当業者であれば、システム１００（図１）の所望の蒸留液フロー速度に応じて、他の寸法の金属シート材料や金属板を使用してもよいことが分かるであろう。

板２１０の両端部４０２ａ，４０２ｂは互いに溶接または溶着するのが好ましい。上端板および下端板２１２，２１４も、同様に銅材から作成することができ、熱交換板２１０に溶接または溶着される。板２１０は２以上の材料片から形成してもよい。

流体口２４４の断面積の合計は約２〜１０平方インチであり、凝縮液口２４６の断面積の合計は約１平方インチの数分の一である。同様に、通路２２８の断面積の合計は、約２〜１０平方インチである。ただし、当業者であれば、それらの寸法は他の寸法であってもよいことが分かるであろう。

図５Ａは装置１０６をライン５−５（図２）に沿って切断して見たときの断面図であり、図５Ｂは図５Ａの細部を示す図である。図示のように、板２１０の各パネル４０８は２枚の板の表面５０２を規定し、隣り合ったパネル４０８の向かい合った表面の間に空間が画定される。先に述べたように、それらの空間は交互に蒸発室５０４（図５Ｂ）または凝縮室５０６（図５Ｂ）として構成される。蒸発室５０４の外径端の部分５０４ａは中心軸Ａ−Ａに対して外側にある折り目４０６によって封止・密封されていて、蒸発室５０４の内径端部分５０４ｂは開放されている（図５Ａ）。これに対し、凝縮室５０６の外径端部分５０６ａは開放され、凝縮室５０６の内径端部分５０６ｂは封鎖・密封されている（図５Ａ）。蒸発室５０４の外径端部分５０４ａは下端板２１４の外径端部分２１４ａよりも外側まで延ばし、各蒸発室５０４から液だめ部２３２（図１）まで流路が形成されるようにすることが好ましい。本明細書で使用する「内側」および「外側」という用語は軸Ａ−Ａに対するものである。すなわち「内側」とは軸Ａ−Ａに近い方であり、「外側」とは軸Ａ−Ａから遠い方である。

本発明の好ましい実施形態において、水受け部５０８（図５Ｂ）は、各蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａを取り囲むように形成するのが好ましい。水受け部５０８の形状は各外径端部分５０４ａの形状と実質的に同じ輪郭および外形にし、外径端部分５０４ａからわずかに離して配置するのが好ましい。また、軸Ａ−Ａに対する各水受け部５０８の内側の縁部５０８ａは開放されていて、その内側の縁部５０８ａによって規定される開口部は、蒸発室の密封された外径端部分５０４ａから少しの距離「Ｈ」（図５Ｂ）だけ離してある。水受け部５０８は蒸発室５０８の端部にパチンと嵌め込むことができる。具体的には、凝縮室５０６を形成しているパネル４０８の外径端部分５０６ａの付近に小さな窪み５１０を形成し、対応するこぶ５１２を水受け部５０８に形成する。組み立て時には、各水受け部５０８を対応する蒸発室５０４の上に被せ、こぶ５１２が対応する小さな窪み５１０にパチンと嵌るまでスライドさせる。

図６Ａは、幾つかの蒸発室および凝縮室５０４、５０６についてその外径端部分５０４ａ、５０６ａを部分的に分解し、密封リング２５０の詳細を示す斜視図である。図６Ｂは、図６Ａに示した蒸発室および凝縮室５０４、５０６の平面図である。分かりやすくするために、水受け部５０８は取り外してある。図示のように、密封リング２５０は複数の凹部６０２を有する。各凹部６０２はそれぞれ、１つの蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａを受け入れるように構成される。さらに、各凹部６０２のウェル６０４は、下端板２１４の軸Ａ−Ａに対する外側の縁２１４ａよりも外側に配置される。各凹部の間には、下端板２１４の上面に沿って半径方向内向きに延びる指状部分６０６が設けてある。密封リング２５０は更に背面壁６０８を有する。組み立て時には、密封リング２５０の背面壁６０８をスリーブ２１６の内向き湾曲部２３６（図６Ｂ）に対して密封し、凹部６０２を蒸発室５０４の外径端部分５０４ａの周りに密封し、指状部分６０６を下端壁２１４の上面に対して密封する。従って、図６Ｂから最もよく分かるように、蒸発室５０４と凝縮室５０６はいずれもその外径端部分５０４ａ、５０６ａが下端板２１４の外側の縁２１４ａよりも半径方向外側まで延びているが、密封リング２５０は、凝縮室５０６を液だめ部２３２に対して密封しても、蒸発室５０４を液だめ部２３２に対して密封することはない。

密封リング２５０は、何らかの場所に付着させたゴムやエポキシ樹脂、または、何らかの場所に接合または溶着した金属から形成することができる。

運転時には、モータ１１０（図１）を動かしてシャフト２３０（図２０）を回転させる。すると、熱交換板２１０、上端／下端板２１２、２１４、スリーブ２１６および中間板２２２が回転する。ベルトやギア変速器等のような従来の減速器（図示せず）を用いてそれらの部品の回転速度が約７００ｒｐｍになるようにするのが好ましい。もちろん他の回転速度を用いてもよい。非飲料水等のような蒸留したい液体を逆流形熱交換器１０２に通し、そこでその液体を沸点近くまで加熱した後、その液体を矢印Ｂ（図２）に示すように供給管１０８を通じて蒸発凝縮装置の液だめ部２３２に流し込む。液だめ部２３２に流し込む前に、または液だめ部２３２の内部で、電気またはその他の方式の加熱器をさらに使用して、液体を沸点付近まで加熱してもよい。さらにコンプレッサ１１８を動かし、蒸発蒸気空間２５２にある蒸気を矢印Ｃに示すように通路２２８を通じて導管２２６に沿って汲み上げ、コンプレッサの入口１１８ａに引き込む。

圧縮蒸気は出口１１８ｂから煙突部２２４へ供給され、矢印Ｄに示すように上端板２１２と中間壁２２２の間に画定された空間に沿って流れる（図２）。圧縮蒸気は、矢印Ｅに示すように上端板２１２に形成された流体口２４４を通って、凝縮室５０６に入る。スリーブ２１６の回転により、液だめ部２３２の液体が傾斜付き開口端２１８に沿って上方へ流れ、通路２３４の中に引き込まれる。第１の静止汲み出し管２３８は、通路２３４内の液体の液面下に配置された回転方向とは逆の方向に開口する開口端２３８ａによってその液体を汲み上げ、２３８ｂの部分へ送る。液体は２３８ｂの部分からスロット２４０を通って蒸発室５０４に入る。蒸発室５０４は内径端部分５０４ｂが開口している（図５Ａ）。凝縮室５０６は内径端部分５０６ｂが密封されているので、第１の静止汲み出し管２３８内の液体が凝縮室へ流れ込むことはない。

回転板２１０の内部で発生する遠心力は、スロット２４０から放出された液体のうちの少なくとも一部を、蒸発室５０４の向かい合った板の表面５０２のそれぞれに沿って流れさせる。液体が蒸発室５０４に沿って流れるとき、その液体の一部は、隣りの凝縮室５０６からの熱により蒸発させられ、蒸気すなわち気体になる。蒸発室５０４は外径端部分５０４ａが密封されているので、その蒸気は半径方向内側に向かって流れ、中央空間２５２に入る。残った液体（すなわち気体に変換されなかった液体）はすべて蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａに捕捉され、そこにプールＬされる（図５Ｂ）。蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａは、詳しくは図２および図５Ｂに示すように、半径方向について下端板２１４の外側縁部よりも外側まで延びるように構成される。このような構成により、気化されなかった液体をプールＬから蒸発室５０４内を通して、隙間Ｇを通して下方の液だめ部２３２へ戻すことができる。

上記のように、コンプレッサ１１８を動作させると、蒸発室５０４内で形成され空間２５２へ放出された蒸気は、上端板２１２に形成された通路２２８を通り、導管２２６を通ってコンプレッサ入口１１８ａに引き込まれる。そしてその蒸気は圧縮され、温度と圧力が上昇させられる。圧縮蒸気は出口１１８ｂから煙突部２２４に送られる。圧縮蒸気は上端板２１２に形成された流体口２４４を通って凝縮室５０６に入る。

図７は装置１０６をライン７−７（図２）に沿って見た平面図であり、口２４４および２４６の好ましい構成を示す。図示のように、口２４４の半径方向内側の部分２４４ａは凝縮液口２４６の半径方向内側の部分２４６ａよりも軸Ａ−Ａに近い位置にある。ただし、上端板２１２の半径方向の長さが蒸発室５０４を完全に覆う長さになっているので、圧縮蒸気が蒸発室５０４に流入することはない。

好ましい実施形態において、逆流形熱交換器１０２（図１）およびコンプレッサ１１８は装置１０６の安定動作中に、蒸発室５０４と凝縮室５０６の間に１平方インチあたり約１．０の圧力差と、華氏約３°Ｆの温度差とを生み出すように設定される。

図５Ｂから最もよく分かるように、隣りの蒸発室５０４のパネル表面５０２に沿って流れる液体は、圧縮蒸気（例えば飽和温度２１５°Ｆ）よりも低い温度（例えば２１２°Ｆ）で蒸発して気化し、各凝縮室５０６内において向かい合ったパネル表面５０２に沿って凝縮する。その凝縮液のうちの少なくとも一部は、板２１０の回転によって発生した遠心力により、凝縮室５０６のパネル表面５０２に沿って外径端部分５０６ａへ向けて送られる。凝縮液は水受け部５０８と蒸発室５０４の密閉された外径端部分５０４ａとの間の空間に入り、その空間を満たす。この空間が凝縮液で完全に満たされると、それ以上の凝縮液は、水受け部５０８の内側の縁すなわち舌状部分５０８ａを越えて溢れ出し、スリーブ２１６の内面に受け止められる。

水位を常に低く（軸Ａ−Ａに対して）しようとする凝縮液は、上端板２１２に設けられた口２２４を通り、中間壁２２２に設けられた口２４６を通って、最終的には凝縮液収集空間２２３（図２）に流れ込む。従って、凝縮液は第２の静止汲み出し管２４８によって除去される。具体的には、凝縮液収集空間２２３の中に溜まった凝縮液は最終的に汲み出し管開口部２４８ａの高さに達し、その時点で第２の汲み出し管２４８の中に押し込まれ、この蒸発凝縮装置１０６から除去される。凝縮液収集空間２２３から凝縮液を絶えず除去し続けることにより、液だめ部２３２からスリーブ２１６の内面に沿って昇り、口２４４および２４６を通って凝縮液収集空間２２３に入るというフローパターンが形成される。

図７から最もよく分かるように、凝縮液口２４６の位置および寸法は、圧縮蒸気がその凝縮液口２４６を通って空間２２３に流入することがないようなものにするのが好ましい。具体的には、口２４６は口２４４よりも半径方向外側の位置に配置し、安定動作中は口２４６が凝縮液で完全に満たされるようにすることで、圧縮蒸気の流入を阻止する。つまり、口２４６の位置は、壁面２１７に沿って存在する凝縮液Ｐの液面よりも下に、すなわち半径方向外側になる。

図示のように、本発明によると凝縮液の汚染の危険性を低減する新規の流体フローパターンが形成される。特に、装置１０６の液だめ部２２４の反対側から凝縮液を取り出すことにより、液だめ部２２４からの「汚い」液体が凝縮液に混入する可能性が低くなる。さらに、高圧側の凝縮室５０６に何らかのリークが発生しても、低圧側の蒸発室５０４に凝縮液が流れ込むだけで済む。さらに、高さＨの水受け部５０８は、蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａと水受け部５０８との間に、高さＨの凝縮液の柱を形成する。装置１０６の動作中はこの凝縮液の柱を維持することが好ましく、凝縮液の柱は、蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａに集まった気化されなかった液体のプールＬに対して圧力ヘッドを形成する。蒸発室５０４の密封された外径端部分５０４ａに万が一リークがあった場合でも、この圧力ヘッドは、汚い水が凝縮液に混入するのを阻止する。その場合、この圧力ヘッドは、凝縮液を水受け部５０８から蒸発室５０４の中に押し込む。もちろんそれによって装置の効率は低下するが、凝縮液が汚い水によって絶対に汚染されないようにすることができる。

装置１０６は、ハウジング２０２から空気その他の気体を除去するための１以上の気体除去装置（図示せず）を有することが好ましい。また、適当な従来技術を用いて、蒸発室５０４のパネル面５０２は吸水性のものにし、凝縮室５０６のパネル面５０２は撥水性のものにしてもよい。

水受け部５０８は１つの材料片から作成してもよいし、蒸発室５０４の数よりも少ない数の材料片から作成してもよい。すなわち、隣り合った水受け部５０８を内側の縁部すなわち舌状部分５０８ａで互いに接続し、水受け部の断面が波形を付けた軸受筒のような形になるようにしてもよい。この実施形態の場合、隣り合った水受け部５０８の１以上の対について、それらの間に排出穴を設け、その排出穴を通して凝縮液を通過させ、スリーブ２１６の内面で受け止められるようにするのが好ましい。

あるいは、本蒸発凝縮装置は水受け部を全く備えなくてもよい。

また、密封リング２５０以外の他の手段を用いて、蒸発室５０４と液だめ部２３２の間を連通させつつ、凝縮室５０６を液だめ部２３２から密封してもよい。

本明細書で説明したように、熱交換板２１０の各折り目４０４、４０６は、回転軸Ａ−Ａと同じ平面上に配置するのが好ましい。それらの折り目によって規定される直線は、例えば図３に示したように回転軸Ａ−Ａに対して平行にしてもよいし、液だめ部２２４よりも上または下に位置する仮想的な点において軸Ａ−Ａと交差するようにしてもよい。言い換えれば板２１０は、円筒や環状の形以外に、頂点を平面で切った円錐形にしてもよい。また、径が大きい方の円錐の端面は、液だめ部２２４の近くに配置してもよいし、遠くに配置してもよい。当業者であれば、他の円形を使用してもよいことが分かるであろう。

当業者であれば、静止汲み出し管２３８以外の他の汲み出し手段を使用してもよいことが分かるであろう。例えば、液だめ部２２４の中にまで延びる回転式汲み出し管を下端板２１４または何らかの他回転部品に取り付けてもよい。

また、通路２３４は、液体を汲み上げるための傾斜を少なくとも一部に有する壁で置き換えてもよい。

さらに、スロット２４０は、液体を蒸発室５０４へ送るための管２３８に形成された１以上の穴またはノズルで置き換えてもし、それらと組み合わせてもよい。

好ましい実施形態において装置１０６は液だめ部を全く有しない。代わりに、２００１年１月１８日に出願された「Distiller Employing Cyclic Evaporation-Surface Wetting」と題する本出願と同じ譲受人による同時継属中の米国特許出願第０９／７６５２６３に記載されているように、供給管１０８が液体をスリーブ２１６の傾斜付き開口端２１８へ直接送り込み、それによって通路またはウェル２３４に液体を供給する。その場合、気化されなかった液体は通路２３４に集められ、供給管１０８から供給された液体と混じり合って、管２３８から除去される。

さらに、凝縮室に入れる蒸気は、必ずしも蒸発室から引き込む必要はない。例えば、本蒸発凝縮装置１０６は、何らかの外部ソースから蒸気を受け取り、その蒸気を凝縮室に供給するように構成される場合がある。また、蒸発室には、凝縮室に使用される流体とは異なるアルコール等のような別の流体を使用してもよい。さらに、凝縮室に供給する蒸気を圧縮しておく必要は必ずしもない。

上記の説明は本発明の特定の実施形態に関するものである。しかしながら、それらの実施形態の利点の一部または全部を得るために、説明した実施形態に対し、他の変形や変更を施してもよいことは明らかである。例えば代替形態として、蒸発凝縮装置１０６は、複数の作用のうちの一作用を有する熱駆動型装置であってもよい。その場合、コンプレッサは不要になる場合がある。熱駆動型装置では、レンジの炎や太陽エネルギー等のような逆流形熱交換器１０２以外の熱源を用いて、液だめ部２３２の液体を所望の温度まで加熱することができる。他の実施形態において、装置１０６の凝縮室５０６は蒸気源に接続される場合がある。この蒸気源は局所暖房装置から得られる排蒸気から構成される。また、本発明のシステム１００は、水以外の他の液体を蒸留することもできる。従って、特許請求の範囲に記載した発明には、それらの変形や変更も本発明の思想の範囲内にあるものとして含めることを意図している。

本発明による蒸気圧縮蒸留システムを示す概略図である。図１の蒸発凝縮装置の断面平面図である。図２の蒸発凝縮装置の部分分解図である。本発明による熱交換板を示す等角図である。図２の蒸発凝縮装置を線５−５に沿って見たときの部分的な平面図である。図５Ａの蒸発凝縮装置の外径端部分の詳細を示す図である。蒸発凝縮装置の外径端部分を示す等角図である。蒸発凝縮装置の外径端部分を示す平面図である。流体口の細部を示す蒸発凝縮装置の部分的な平面図である。

Claims

液体の蒸留に使用される蒸発凝縮装置であって、
入口および出口を有するハウジングと、
前記ハウジングの中に配置され、軸を中心にして回転するように構成された熱交換板であって、複数の折り目を有し、折り畳まれた板が概ね環状の形を持つように両端の２つの縁部が互いに接続され、前記折り目が、互いに間隔を空けて配置された対応する面を有する複数のパネルを規定し、対向するパネル面の間に蒸発室と凝縮室を交互に規定する、熱交換板とから構成され、
前記蒸発室および前記凝縮室が、前記回転軸に対する内側の縁部と外側の縁部を有し、
前記蒸発室は、外側の縁部が前記熱交換板の対応する折り目によって閉ざされるとともに内側の縁部が開放され、前記出口と連通し、該出口に蒸気を供給するように構成され、
前記凝縮室は、外側の縁部が開放されるとともに内側の縁部が前記熱交換板の対応する折り目によって閉ざされ、前記入口と連通し、該入口から蒸気を受け取るように構成され、
前記蒸発室と前記凝縮室が互いに密封されている、蒸発凝縮装置。
前記蒸発凝縮装置の前記入口および出口にコンプレッサが接続され、該コンプレッサが前記蒸発室から蒸気を受け取り、圧縮した蒸気を前記凝縮室へ給送するように構成され、
モータが回転力を前記熱交換板に与えるように構成される、請求項１に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの中に前記回転軸に対して実質的に垂直な向きに配置された上端板および下端板を更に含み、前記折り畳まれた熱交換板が前記上端板と前記下端板の間に取り付けられ、前記蒸発室が前記凝縮室から密封されるように構成される、請求項１に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの下部が、蒸留すべき液体を入れるための液だめ部を規定し、前記装置は、該液だめ部から液体を引き込み、該液体を前記蒸発室の内側の縁部へ給送するように構成された液体汲み上げ手段を更に含む、請求項３に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの下部が、蒸留すべき液体を入れるための液だめ部を規定し、前記装置は、
前記液だめ部から液体を汲み上げるように構成された壁を有する回転要素であって、該回転要素の少なくとも一部が前記液だめ部の中にまで延びる、回転要素と、
前記回転要素の前記壁の付近に配置された開口端と、前記折り畳まれた熱交換板の内側の縁部の付近に配置された部分とを有し、該部分が前記液だめ部からの液体を放出する手段を有する、第１の静止汲み出し管と
を更に含む、請求項３に記載の蒸発凝縮装置。
前記管の部分が実質的に前記回転軸に沿って延び、前記液体を放出する手段は、内側の縁部が開放された前記蒸発室に液体を入れるように構成される、請求項５に記載の蒸発凝縮装置。
前記折り畳まれた熱交換板の少なくとも一部を取り囲むスリーブを更に含み、該スリーブが前記回転軸の方を向いた側壁を規定し、該スリーブが前記凝縮室内で生成された凝縮液を前記側壁に捕捉するように構成される、請求項３に記載の蒸発凝縮装置。
少なくとも１つの蒸発室の密封された外側の縁部の周りに間隔を空けて配置された水受け部を更に含み、該水受け部が、前記回転軸に対して半径方向内側へ所定の距離だけ延び、前記回転軸の向きに開口している、請求項１に記載の蒸発凝縮装置。
水受け部が各蒸発室の密封された外側の縁部の周りに配置される、請求項８に記載の蒸発凝縮装置。
前記折り畳まれた熱交換板の外側の縁部を少なくとも取り囲み、前記折り畳まれた熱交換板の付近に、前記液だめ部の反対側に凝縮液収集空間を規定するスリーブと、
前記ハウジングの中を通って前記凝縮液収集空間の中にまで延び、前記凝縮液収集空間の中に開口部を有する少なくとも１つの静止汲み出し管とを更に含み、
前記上端板は該上端板の外径端付近に配置された１以上の口を有し、該１以上の口によって前記凝縮室と前記凝縮液収集空間の間が連通され、
前記少なくとも１つの静止汲み出し管は、前記凝縮液収集空間に集まった凝縮液を除去するように構成される、請求項４に記載の蒸発凝縮装置。
前記折り畳まれた熱交換板の外側の縁部を少なくとも取り囲み、前記回転軸の方を向いた側壁を規定するスリーブであって、前記凝縮室で生成された凝縮液を該側壁に捕捉するように構成される、スリーブと、
前記折り畳まれた熱交換板の外側の縁部の周りに延び、前記蒸発室と前記液だめ部の間は連通させ、前記凝縮室と前記液だめ部の間は遮断するように構成される、密封リングと、
前記熱交換板の折り目が前記回転軸と実質的に同じ平面上にある、請求項１に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの中に前記回転軸に対して実質的に垂直な向きに配置された上端板および下端板を更に含み、前記折り畳まれた熱交換板が前記上端板と前記下端板の間に取り付けられ、前記蒸発室が前記凝縮室から密封されるように構成される、請求項２に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの下部が、蒸留すべき液体を入れるための液だめ部を規定し、前記装置は、該液だめ部から液体を引き込み、該液体を前記蒸発室の内側の縁部へ給送するように構成された液体汲み上げ手段を更に含む、請求項１３に記載の蒸発凝縮装置。
前記ハウジングの下部が、蒸留すべき液体を入れるための液だめ部を規定し、前記装置は、
前記液だめ部から液体を汲み上げるように構成された壁を有する回転要素であって、該回転要素の少なくとも一部が前記液だめ部の中にまで延びる、回転要素と、
前記回転要素の前記壁の付近に配置された開口端と、前記折り畳まれた熱交換板の内側の縁部の付近に配置された部分とを有し、該部分が前記液だめ部からの液体を放出する手段を有する、第１の静止汲み出し管と
を更に含む、請求項１３に記載の蒸発凝縮装置。
前記熱交換板の中心が前記回転軸に対して同軸に配置される、請求項１に記載の蒸発凝縮装置。
少なくとも一部が前記下端板の公称面から前記熱交換板から離れる方向に延び、前記蒸留すべき液体を受け取るように構成された、回転要素と、
少なくとも一部が前記壁に配置された開口端を有し、前記壁から液体を前記蒸発室へ給送するように構成された、第１の静止汲み出し管と
を更に含む、請求項３に記載の蒸発凝縮装置。
圧縮蒸気、蒸留すべき液体、および回転力源を有する蒸留器に使用される熱交換器であって、
軸を中心にして回転させるために前記回転力源に接続された熱交換板であって、複数の折り目を有し、折り畳まれた板が概ね環状の形を持つように両端の２つの縁部が互いに接続され、前記折り目が、互いに間隔を空けて配置された対応する面を有する複数のパネルを規定し、対向するパネル面の間に蒸発室と凝縮室を交互に規定する、熱交換板を含み、
前記蒸発室および前記凝縮室が、前記回転軸に対する内側の縁部と外側の縁部を有し、
前記蒸発室は、外側の縁部が前記熱交換板の対応する折り目によって閉ざされるとともに内側の縁部が開放され、前記蒸留すべき液体と連通するように構成され、
前記凝縮室は、外側の縁部が開放されるとともに内側の縁部が前記熱交換板の対応する折り目によって閉ざされ、前記圧縮蒸気と連通するように構成され、
前記蒸発室と前記凝縮室が互いに密閉されている、熱交換器。
前記ハウジングの中に前記回転軸に対して実質的に垂直な向きに配置された上端板および下端板を更に含み、前記折り畳まれた熱交換板が前記上端板と前記下端板の間に取り付けられ、前記蒸発室が前記凝縮室から密封されるように構成される、請求項１８に記載の熱交換器。
前記熱交換板の中心が前記回転軸に対して同軸に配置される、請求項１８に記載の熱交換器。