JP2006009483A - 大気中の湿分から淡水を製造するシステムの改良 - Google Patents

Abstract

【課題】自給エネルギーと外部エネルギーとを併用して、大気中の湿分から淡水を製造するシステムにおいて、凝縮効率を高めること。
【解決手段】凝縮装置を内部に設置して、下部から大気流を強制的に導入する手段、上部に大気流の煙突効果を奏するダクト、底部に凝縮装置で滴下した水を集める手段、湿分を凝縮させるための凝縮装置内に設置された湿分強制冷却手段から構成されてなる淡水製造設備において、前記強制冷却手段が、水噴霧・冷気噴霧式第１手段と、冷水循環式第２手段と、凝縮材ユニットから設備台下の地中に亘って埋設された無動力式第３手段の少なくとも２つ以上からなり、凝縮材は親水性および撥水性を個別にまたは両方付与された多孔質凝縮材の集合体からなることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は大気中の湿分から淡水を製造するための設備と方法に関する。さらに詳しくは、費用対効果の観点から自給エネルギーとともに電気、ガス等の外部エネルギーを必要最小限に抑制しつつ併用することによって、効率良く大気中の湿分から淡水を製造するための改良されたシステムに関する。

従来、淡水の供給源としては表流水や地下水等があるが、表流水は環境破壊による安定した水量が得られない。地下水源は地盤沈下や井戸の深堀化や環境汚染等に伴う砒素などの有毒物質による水質悪化などの弊害ゆえに利用できなくなりつつあり、最終的には雨水や海水淡水化に頼るしかない現状にある。他方水需要については、世界人口増加に対しその倍の早さで水需要が増えているといわれており、また環境破壊による水質汚染、気候変動による局地的水不足、先進国を中心とした一人当たり水需要の大幅増加などが、地球的規模でみれば水不足に拍車をかけており、水不足問題は地球環境問題として解決すべき課題となっている。

淡水を製造するための前記雨水等以外の水資源としては従来、蒸留、電気透析、逆浸透膜による海水の淡水化システムが広く知られているが、これらシステムは多大の設備、動力、メンテナンスを要して、高コストである上に、輸送問題等からもほぼ海岸地帯に設置せざるをえず、設置場所の制約があった。

また従来、海岸地帯から内陸の砂漠や高山地帯、或いは直射日光の強い熱帯や極寒地帯も含めた全陸地一般において、淡水製造設備を設置して実施する試みは小規模設備（例えば特許文献１参照）を除けば殆ど皆無というに等しかった。これは個人向けの携帯式小規模設備にすぎず多量の水を製造できないという限界の外に、コスト高の外部エネルギーと多数の機械設備とを要するという問題点もあった。

前記のような表流水、地下水、海水以外の水資源である大気中の湿分から淡水を製造するための様々な規模で実施しうる画期的システムが最近開発されるに至ったが（例えば特許文献２参照）、このシステムはようやく研究の端緒についたばかりであって、諸々の技術的、経済的改良の余地、課題が見出されつつあり、従って未だ実用化段階には至っていないという現状にある。

本出願人は先に、特願２００３−１０９７８０として、上記のような大気中の湿分から淡水を製造するシステムの実用化を可能にするために、湿分を凝縮させる凝縮装置の構成が最大の鍵であるとの認識に立って開発研究を行ってきた成果を、大気中の湿分から淡水を製造するシステムとして出願した。すなわちこれは飲料水、工業用水、農業用水等を使用する小規模コミュニティ、工場、農場等から大規模のそれらに至る所望の規模で、如何なる気象条件、地形条件の場所でも使用可能であり、基本的に電気エネルギーなどの外部運転費用を要せず、自給エネルギーに頼る経済的かつ環境に余分な負荷を与えずにすむシステムを特徴としていた。

前記特許出願後、大気中の湿分を凝縮させるための凝縮装置の構造および凝縮材について若干の特許が公開されており、例えば凝縮部材として樹脂状、コルゲート、フィン付き構造など（例えば特許文献３参照）が記載され、また凝縮材としては親水性、疎水性の特殊ポリマー、超吸収性ポリマーの例（例えば特許文献３、４参照）が記載されているが、その具体的適用方法は記載されていない。
ドイツ特許公開公報３３１３７１１Ａ１ アメリカ特許第６１１６０３４ アメリカ特許公開第２００３／０１４５７２９Ａ１ アメリカ特許公開第２００４／００００１６５Ａ１

本出願人による前記システムは、工業的規模の実用可能性を目指すものであり、従って或る程度多量の淡水を製造することを目的としていたが、エネルギー自給システムのみに頼ることは淡水製造効率の点からみれば最善とは言い難く、凝縮装置についてさらなる改良を目して、凝縮効率にすぐれかつ安価な凝縮材について検討するとともに凝縮を促進する冷却手段についても検討を行い、一層の凝縮効率を高める可能性を見出し、前記淡水製造システムの改良に関わる本発明に至ったものである。

本発明は従って自給エネルギーの外に必要最小限の外部エネルギーを併用することにより、コスト増は抑制しつつ淡水製造効率の向上が図れる淡水製造装置ならびにその方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明は、第１の発明として、大気中の湿分から淡水を製造するための設備であって、上部にダクトを有する屋根と前記屋根から下方に延在する側面支柱と防護壁網等とからなる設備全体を覆うハウジングおよび底部基体、大気を設備内に強制的に導入するための前記設備下部に設けられた大気導入手段、導入された大気を煙突効果によって大気流として設備内部中に流動化、上昇させるためのダクト内に設置された大気流の流動化促進手段、設備内空間全体に亘って配設された、前記大気流との接触により湿分を吸収し露点にて凝縮させるための多孔質凝縮材を含む凝縮装置、前記凝縮装置内に設置された大気流湿分の強制冷却手段、および多孔質凝縮材表面に凝縮した水を集めるための集水装置から構成された設備に関する。そして本発明は前記設備において、前記凝縮装置が横断面が概して円形または多角形の柱状体外形をなす通気性籠状ケーシング内部に前記多孔質凝縮材を充填してなる凝縮材本体と前記ケーシング外周全体をとり囲む剛性補強枠体とから形成した凝縮材ユニットの複数個が互いに水平および垂直方向連結手段を介して、前記大気流の流路を確保しうるように可変間隔を隔てて水平方向に配列、固定されて１段凝縮材構造体をなしているかまたは水平方向および垂直方向に配列、重積、固定されて全体として多段凝縮材構造体をなしており、前記多孔質凝縮材は親水性処理されてなる多孔質材料と撥水性処理されてなる多孔質材料と或いはさらに親水性と撥水性処理されてなる多孔質材料とから構成されており、前記凝縮装置内に設置された湿分の強制冷却手段は、前記補強枠体それ自体である、凝縮材の湿潤による凝縮誘発と大気流湿分冷却のための水噴霧・冷気噴霧式第１強制冷却手段、各凝縮材ユニット内部に挿入された冷流体循環式第２強制冷却手段、およびその上端が凝縮材本体中心部に位置しその下端が底部基台下の地中に位置するように埋設された、大気と地中の温度差による冷熱を利用する無動力式第3強制冷却手段の少なくとも2種以上からなることを特徴とする。

前記淡水製造設備において、凝縮材ユニットの補強枠体はそのケーシング外周に円周方向縦方向に等間隔でとり囲む少なくとも数本の剛性筒状支柱と、その上部と底部に前記支柱両端部から延在する連結軸片とからなっており、前記支柱はその上端部から補強枠体を垂直方向に連結する垂直方向連結具を備えていること、前記凝縮材ユニット同士は前記連結軸片同士を水平方向に連結する連結部材によって互いに水平方向に連結されて転倒が起きないように確保されており、前記凝縮材構造体の上部には、前記垂直方向連結具と対応する対をなす連結具を備えた前記補強枠体の移動手段が設けられていてそれによって凝縮材ユニット間の間隔を結露に効率のよい通路となすように自由に調整可能であり、凝縮材ユニット同士は吊上具によって水平と垂直両方向に確実に連結されていることを特徴とする。

前記淡水製造設備において、大気と地中の温度差による冷熱を利用する第３強制冷却手段は凝縮材本体中心部に埋設されており、その下端が地中埋設された状態で設置されている。本発明に係る淡水製造設備はもちろん地上にそのまま載置される形で設置することができるが、好ましい態様は、大気と地中の温度差による冷熱をさらに有効利用するために、設備全体を半地下に設置することを特徴とする。そのことによってこの第３強制冷却手段は全体が実質的に地面レベル以下に設置されることになり、地上設備に設けた前記第３強制冷却手段のみで冷却する場合よりも一層高度に導入大気を冷却することが可能となる。

本発明の淡水製造設備のより好ましい実施態様は、前記凝縮装置の各凝縮材ユニットにおいて、補強枠体の筒状支柱が水噴霧・冷気噴霧式第１冷却手段を構成しており、たとえば水道管から導かれる水の噴霧と冷凍設備から導かれる冷気の噴霧用ノズルを備えた配管であり、それは送風手段にも連結されている。これによって大気流湿分の凝縮を誘発し、凝縮を早く惹起させることができるとともに凝縮開始後は凝縮材ユニットを冷却することができる。また前記凝縮材ユニット内部には、前記支柱よりも内側に冷流体循環式第２冷却手段として例えば冷水などの作動流体循環式配管が挿通されており、同じく冷凍装置と連結されている。さらに凝縮材本体内部には、その上端が凝縮材内部に位置し下端が設備基台下、地中に位置するように埋設された大気流湿分冷却のための、同じく作動流体を含む無動力型第３強制冷却手段、たとえばヒートパイプからなることにある。前記第１強制冷却手段はさらに、そのノズル部分が凝縮材を清掃することのできる噴霧清掃機能をも果たしている。

前記第３強制冷却手段は多段凝縮材構造体の場合、下段のみに設けることが望ましい。また上段の凝縮材ユニットには第１強制冷却手段と第２強制冷却手段の両方を必ず設置することが望ましい。下段には第３冷却手段を必ず設けるが、第１と第２冷却手段は気象条件、地理的条件によっては一方のみでもよい。

本発明は第２の発明として、前記のような構成を有する大気中湿分からの淡水製造設備によって、大気中の湿分から淡水を製造する方法にも関する。すなわち、その方法は設備下部を冷却下に保持しながら、大気を設備下部入口から設備内に強制的に導入して大気流を作り、その大気流を各凝縮材ユニットを通して流動化させるとともに凝縮材本体内部を冷気と冷流体の冷熱により強制冷却しながら、設備内部の温度を露点まで低下させるとともに、親水性、撥水性を付与された多孔質凝縮材を水で湿濡させて凝縮を誘発させると同時に大気の湿分を多孔質凝縮材内部まで充分接触、浸透、吸収させることにより、湿分を水として凝縮させた後、凝縮水を凝縮材表面から速やかに離脱、流下させ、集水する各工程からなっている。

また、前記淡水製造設備が半地下に設置されていて、前記第３強制冷却手段の全体が地面レベル以下に位置する場合は、地中と大気のより大きい温度差を利用して、前記製造方法において湿分の冷却を早め、凝縮を一層促進することができ、より効率の良い淡水の製造が可能である。

本発明の淡水製造設備とその方法において、１つの重要な特徴である多孔質凝縮材は、多孔質材料を基材として、凝縮面となるその微孔表面に親水性および撥水性を個別にまたは両方付与されたものの集合体である。すなわち、多孔質基材として、多孔質加工石、多孔質セラミック、フライアッシュ（特にその非焼結固形物）、多孔質ガラス、多孔質金属および多孔質樹脂から選ばれた基材に対して、夫々自体公知の親水性材料そして撥水性材料によって、表面物理的処理または化学的処理を施されてなる、微孔性かつ大きい表面積を有する、概して塊状材料である。

前記多孔質基材のうち、多孔質加工石、多孔質セラミック、フライアッシュ、多孔質ガラス等はシリカ、アルミナ等を成分として有するものが多く、多孔質金属としては鉄、銅、ニッケル、ステンレス鋼、アルミ合金など、焼結、鋳造などによって多孔質にされたもの、多孔質樹脂としては連続気泡型のウレタン系、ポリオレフィン系、スチレン系などが挙げられる。

前記基材に対して、親水性表面を付与する親水性材料には、例えばシラノール基含有化号物、二酸化チタン等が含まれるが、撥水性表面を付与する撥水性材料には例えばフッ素系化合物、シリコーン系（オルガノシラン重合体）撥水剤、パラフィンワックス等が含まれる。

凝縮材本体を構成するために、このように多孔質基体表面に表面処理された多孔質凝縮材塊状物は親水性表面のみ付与されたもの、撥水性表面のみ付与されたもの、或いはそれら両方の性質を付与されたものを適宜組み合わせて充填、使用することができる。

前記親水性表面と撥水性表面を有する多孔質凝縮材における湿分凝縮の想定しうるメカニズムは、先ず親水性表面に引き付けられた湿分が水滴として生成落下し、凝集して細流となって流下し、他方撥水性表面上に落下した水滴同士は凝集して水玉となり、その重力で流下し、ともに集水装置へと流出する、というプロセスである。本発明の多孔質凝縮材の材料と凝縮装置内における構成（充填、分布）は、そのようなメカニズムに適うものである。

本発明の他の重要な特徴である、凝縮装置内部に設置された強制冷却手段は３種からなっている。各凝縮材ユニットを構成する補強枠体は筒状ないし角柱状外形を呈する支柱と連結片とを有するが、その枠体自体が第１強制冷却手段としての例えば水噴霧・冷気噴霧ノズル付き配管を兼ねている。この第１強制冷却手段は、設備下部に設置された送風装置にも連結される。また凝縮剤ユニット内部には冷流体（例えば水を作動流体とする）循環式第２強制冷却手段たとえばコイル状配管を備えている。第１および第２強制冷却手段は電気或いはガス等の外部動力を要する冷凍或いはヒートポンプ機関と連結されている。或いは1部の凝縮材ユニット（例えば設備ハウジング外周に位置するもの）はその補強枠体が枠体それ自体であって冷却機能を有せず、凝縮材ユニット内部に冷流体循環式第２冷却手段たとえばコイル状配管のみを備えている態様も本発明に含まれる。

冷凍機関から導かれる作動流体としての第2冷却手段用前記冷流体は、例えば水の外に、ノンフロン冷媒（イソブタン、プロパン等の炭化水素）、ハイドロフルオロカーボン類（非塩素系）、二酸化炭素等であってもよいが、最も好適なのは水である。

凝縮装置内の、特に補強枠体が兼用枠である凝縮材ユニット中心部にはまた、大気と地中の温度差による冷熱を利用する無動力型第３強制冷却手段、たとえばヒートパイプが埋設されて底部基台下の地中に貫通するように設けられる。

ヒ−トパイプの作動流体は０〜５０℃程度の使用温度域では一般に水である場合が多い。一般に地下５ｍを越える地中温度は約１５℃であると言われており年間を通じて一定に保たれているが、２，３ｍ程度の浅層地中でも年間を通じた温度変化は小さいといえる。従って、例えば地中温度が１５〜２０℃の範囲内であるような地域では、それより高温の大気温が２０〜４０℃であるような時期に使用することができる。

本発明の淡水製造設備とその方法に関する他の好適な実施態様は次の通りである。
１．凝縮材本体は耐食性材料網、例えば金属、プラスチック製ネット組織からなる籠状或いは格子状ケーシング内に、凝縮材多孔質材料が外部気象条件に適合するように調整された粒子径分布にて充填されている。
２．設備のハウジングは開閉式、折り畳み可能な傘状屋根と、耐食性、耐熱性、耐衝撃性を有する剛性材料、例えば金属、エンジニアリングプラスチック製の筒状補強枠と、さらに前記枠をカバーする側面防護壁網等からなっている。
３．設備はその頂部および／または屋根上に、前記大気導入手段、前記大気流の流動化促進手段および湿分強制冷却手段を駆動させるためのクリーンエネルギー発生手段、たとえば太陽光発電装置、風力発電装置を備えており、他方設備下部付近には第２強制冷却手段としての冷流体循環配管に冷流体を送るための、或いは第１強制冷却手段としての冷気噴霧配管に冷気をおくるための、冷凍装置が設置されている。
４．設備は前記底部基台に、断面U字状またはV字状の波状、凹凸状溝を呈する扇状集水溝を有しており、前記集水溝は前記集水装置に連結している。
５．前記淡水製造方法の好ましい態様においては、大気の湿分導入時から温度を低下させ、大気流を凝縮材内部に流動化させる際も大気を強制冷却させる。さらには装置全体を半地下に設置して、地上と地中との温度差を大きくすることにより、冷却を確実にすることが好ましい。その結果、露点付近への温度低下が早められ、凝縮が促進され、凝縮効率が向上する。

本発明は上記大気中の湿分からの淡水製造システムがさらに、集水装置に連結された水精製装置を含むシステムをも提供する。その水精製装置とは少なくともろ過装置からなっているが、その上さらに最終目的に応じて飲料水として最適な殺菌装置、還元装置等を備えていても良い。

以上説明した本発明の大気中湿分からの淡水製造システムの特長は、凝縮装置の凝縮材ユニット構造体の構成を、設置する場所の地理条件、気象条件に適合するように最適化可能とした点にある。即ち本発明によれば、個々の凝縮材本体の通気性を高める工夫として多孔質材料の種類、大きさ、充填の仕方を最適化して充填していること、凝縮材ユニット間では外的条件に応じて大気流のスムーズな流通が可能なようにその間隔を可変にしてそれらユニットを可動性にする手段を備えていること、凝縮材ユニット構造体は耐震ないし免震構造からなっていること、また凝縮材ユニットには湿分凝縮を誘導する水の直接噴射と冷気の直接噴射による強制冷却手段、冷流体循環による強制冷却手段および大気と地中の温度差を利用する冷熱による強制冷却手段を備えていることによって、多孔質凝縮材の凝縮効果を高めることができる。大気流を生じさせ、流動化させ、その湿分を凝縮させるための動力は、自給式クリーンエネルギーである太陽光発電と風力発電エネルギーを勿論利用するが、強制冷却手段を使用して高い効率を達成するために、ガス、電気等の外部動力も併用することができる。外部動力が得られない場合でも自家発電装置に頼ることにより、あらゆる地理条件、気象条件の場所で本設備を設置することが可能となり、相対的に低コストで、効率の良い水製造が可能である。また本システムを収納するハウジングは異物を通さない頑丈な防護壁網等を用いているので、設置場所によって起こりうる様々な種類の妨害、風雨、砂嵐、直射日光、木の葉、小動物その他異物の侵入、物理的衝撃等を最小限にとどめることができる。

本発明になる大気中の空気から淡水を製造するための改良システムは、太陽エネルギー、風力エネルギー等のクリーンな自然エネルギーに加えて、外部電力エネルギーを補足的使用或いは併用することにより、強制冷却をさらに強化するとともに多孔質凝縮材として、親水性表面と撥水性表面を付与する表面処理を施してなる凝縮性のすぐれた材料を使用することにより、凝縮効率を一層高めることが可能となる。また、大気と地中の温度差を活用する無動力冷却手段を併用するとともに、大気−地中温度差をさらに徹底利用するため設備を半地下に設置することにより、さらに冷却効率を向上させて凝縮効率を向上させることも可能である。

また、凝縮材装置を構成する凝縮材ユニットの数を任意に選択するだけで大規模のみならず中規模、小規模設備を構成することが可能である。また凝縮材の構成を外的条件に適合するよう容易に調整、変更、最適化可能であり、多孔質凝縮材として安価な自然石、多孔質化工石、廃棄物としてのフライアッシュ、鉄、ガラス等を使用することができ、それらに親水性と撥水性を簡単に付与することによって、凝縮・離脱性（湿分凝縮後の淡水の凝縮材からの易離脱性）を高めることができる。さらに凝縮材装置は全体として強固でありながら柔構造体として構成しているので、如何なる地形、気象条件であっても、例えば砂漠の乾燥地帯から地震多発地帯まで、強い直射日光の地から強風、砂嵐の地まで、普遍的に設置することが可能である。従って水製造コストが安価であり、充分経済的に実施可能なシステムである。

本発明の実施の形態を以下添付の図面に基づき説明する。

図1は本発明の大気中の湿分から淡水を製造するための設備を、水精製装置を含めて示す概略斜視図である。本発明設備全体は、上部に開口部例えばダクト４を有するソーラーパネル９を載置した屋根３とその屋根から下方に延在する側面防護壁２とからなるハウジング１に覆われて、底部の基台５の上に設置されている。そして設備下方に設けられた強制的に大気を取り入れるための手段６、例えば換気扇と、導入された大気を設備内部空間に大気流として流動させ凝縮材内部に接触、吸収させつつ上昇させるための煙突効果を奏するダクト４内に設けられた大気流流動化手段７、例えば換気ファン、周辺温度低下時露点付近にて湿分を水として凝縮させるための、設備内部空間全体に亘って設けられた、後述する凝縮装置１１、そして同じく後述する、前記凝縮装置内の凝縮材本体２１内部に設置された、大気流湿分の冷却のための第１、第２、第３強制冷却手段４０，４１，４２とから構成されている。設備頂部、すなわちダクト４の上にはまた、ダクト内の換気扇８や下部の送風機６たとえば換気扇の駆動用、風力発電装置の羽根１０が設置されていて、前記ソーラーパネル９とともに本設備の駆動手段の１部を提供している。さらに、設備下部の外側には、前記第１と第２強制冷却手段と連結されていてそれらに冷熱を供給する冷凍ないしヒートポンプ装置４３およびそのための電力制御装置４４が設置されている。

淡水製造設備のハウジング１は上部に開口部であるダクト４を有する傘状すなわち円錐形状ないしピラミッド形状屋根３と側面防護壁２からなっている。屋根３は軽量樹脂シート等の開閉自在構造であって、開放時に例えば４分割で折り畳み可能となっていて、例えば雨天時に直接水を取り入れることができ、他方直射日光や強風に対しては閉じて、換気ダクト効果を安定化させることができる。屋根３の上には太陽電池パネル９が東西南北方向に設置されていて、これは屋根頂部に設けた風力発電羽根１０とともに本システムの駆動手段の役割を担っている。

側面防護壁２は例えばステンレス等の金属、ポリカーボネート等のエンジニアリングプラスチックからなる軽量シートの遮蔽壁とネットとの二重壁からなっていて、全周囲に等間隔で配置されている支柱（後述する凝縮材ユニットの移動手段の支柱２５を兼ねている）を囲繞するように構成されていて、風雨、砂嵐、直射日光、木の葉、小動物の侵入等を最小限に防止できるようになっている。前記二重壁のうち遮蔽壁は取り外し可能であって外側に位置することが好ましく、外部環境が許せば跳ね上げ式に開放して網状壁のみの壁にして外部空気に曝すこともできる。

ダクト４には例えば換気ファン８が設けられていて、底部基台５の上に設置された送風機６とともに、大気すなわち湿分を煙突効果によって流動、上昇させるようになっている。ダクト４の換気扇６の風速は０．５m／秒以上にすることが凝縮効率の点から好ましい。

本発明の重要な特徴をなす凝縮装置１１の１例は図２〜６に図示されている。即ち凝縮装置１１は図２、３に示すように、多数行、多数列の凝縮材ユニット２０が互いに連結部材２７により連結されて集合構造体をなしている凝縮材ユニット構造体３０を1段とする、少なくとも１段以上が垂直方向に重積されてなる１段または多段凝縮材ユニット構造体３０からなっている。凝縮材ユニット構造体３０の外形は四角形ないし多角形、あるいは円形、楕円形であってもよい。また凝縮材ユニット構造体３０の上部には、凝縮材ユニット２０を可変間隔を隔てて配列し、移動させうる移動ないし摺動手段２９、例えばレールが設けられている。

各凝縮材ユニット２０は図３に示すように、塊状ないし粒子状の多孔質凝縮材２２を、例えば耐腐食性金網等の籠状ないし格子状ケーシング２３内に充填してなる、断面が実質的に円形ないし多角形の柱状体をなす凝縮材本体２１と、補強枠体２４とから一体的に構成されている。補強枠体２４は前記凝縮材本体２１の外周と上部と底部とをとり囲んで補強する、縦方向に等間隔で設けられた少なくとも２本（図では３本）の筒状剛性支柱２５と前記支柱２５の上端部２５ａ同士、下端部２５a同士を連結する連結軸片２６とからなるとともに、さらに垂直方向連結具２６a、たとえば図の場合、ロープ（例えばワイヤー、アラミド繊維、炭素繊維、ポリオキシベンザゾール繊維等の高強度繊維）をも有している。

筒状支柱２５はたとえば鉄柱等の比重の大きい剛性材料からなることが好ましい。垂直方向連結具２６aとしてのロープは支柱上端部２５aに取着されていて、前記連結具２６aと対をなす、構造体３０の上部、レール２９等摺動手段に設けられた連結具２８、たとえばフック２８a付き吊り下げ具とによって、凝縮材ユニット２０を垂直方向に連結するようになっている。このフック２８a付き吊り下げ具２８は少なくとも凝縮材ユニットの個数以上のものが、レール２９に間隔をおいて設置されており、レールを自在に移動ないし摺動しかつ固定しうるようになっている。

他方、連結軸片２６は図３の場合、支柱の数に等しい多角形状（例えば３角形以上の）をなして、端部２５aから水平方向に突出していて、他の凝縮材ユニットの連結軸片２６と連結部材２７、たとえばユニバーサルジョイントを介して水平方向に連結されるようになっている。上記のロープ２６ａとフック付き吊り下げ具２８との組み合わせ連結手段とユニバーサルジョイントのような自在連結部材２７による連結手段とを使用することにより、定期点検あるいは凝縮材交換の場合に、補強枠体を取り外すことが極めて容易となっている。尚、支柱下端部２５aの方は上記のような連結手段による連結なしに、凝縮材ユニット２０はいずれも基台５（１段構造体の場合）またはレール２９（多段の場合）の上に単に載置されているだけであってフリーである。このように水平方向と垂直１方向に連結手段を設けることによって凝縮材ユニット同士の連結を確実にし、従って強固であると同時に柔軟な凝縮材ユニット構造体３０を構成している。

各凝縮材ユニット２０は吊り下げ具等の連結具２８を適宜移動させるとともにユニバーサルジョイント２７を調節することにより水平方向に任意の間隔をあけて連結、配列させることができ、前記間隔は気象条件等の変化による外部大気の変化に応じて生起された大気流が各凝縮材内部に充分流通できるように容易に変更可能であるが、位置確定後は固定できるので、強固な連結が可能である。また同じ目的のために、前記ユニット２０の配列は千鳥配列が最も好適であるが、四角配列でも差し支えない。

本発明で使用される、大気流湿分強制冷却手段は図４〜６に図示されている。図４は凝縮材ユニットに設置された状態を示す第１冷却手段の１例についての部分概略斜視図、図５は同じく第２冷却手段の１例を示す説明図、図６は同じく凝縮材ユニット内に設置された状態を示す第３冷却手段の１例についての説明図である。

湿分強制冷却手段の好適な実施態様によれば、凝縮装置１１を構成する各凝縮材ユニット２１は、図４に示す例えば水噴射・冷気噴射配管４０等の第１強制冷却手段と、図５に示す冷水（冷流体）循環配管４１等の第２強制冷却手段および図６に示す、大気と地中との温度差による冷熱を利用する、例えばヒートパイプ４２等の第３強制冷却手段からなっている。これら３種の冷却手段のうち、第３強制冷却手段は下段の凝縮ユニットには必ず設置されるが、上段には設置されず、上段には好ましくは第１強制冷却手段と第２強制冷却手段の双方が、下段には第１強制冷却手段単独または好ましくは第１強制冷却手段と第２強制冷却手段の双方が設置される。

図４に示すように、前記凝縮材ユニット２０の補強枠体２４の筒状支柱２５と連結軸片２６は、周辺温度の露点付近への接近時、凝縮を誘導し或いは促進させるための水噴射・冷気噴霧配管４０を兼ねることができる。この水噴霧・冷気噴霧配管４０は連結部材２７に取り付けた水供給口２７ａからの水を、各支柱、連結軸片表面に穿ったノズル孔４０aを通して噴霧することによって凝縮材表面を湿潤させるようになっており、凝縮開始を促進する役割を果している。その後は冷凍装置４３から冷気が配管４０に導かれる。このノズル孔４０aは湿分凝縮初期段階で凝縮材の表面を飽和水状態にすることができるとともに塵埃を洗い流す副次的効果も有する。

また凝縮材ユニット２１の下部は放熱のために前記大気流を導入するためのファン７に連結されている。

図５に図示される第２強制冷却手段としての冷水循環式配管４１は、筒状支柱２５よりも内側に設置される。

図６に図示される第３冷却手段４２は大気と地中の温度差（通常、平均約５℃程度）による冷熱を利用して大気流湿分を冷却する、無動力型冷却手段であり、例えばヒートパイプである。これは凝縮材ユニット２１の内部、特に中心部にその上端が位置し下端が基台５下の地中に刺し込まれて埋設される。本発明の淡水製造設備は通常、地上レベルに設置されるが、前記大気と地中の温度差をより有効活用するために、設備自体を地面レベルから下に地面を掘り下げて、窪地を作りそこに半地下状に設置することもできる。図面番号１６は地面掘り下げ部分である。

前記強制冷却手段に冷熱を提供する動力源は、自給エネルギーとしての、太陽光発電装置８、風力発電装置１０からの電力とともに不足分として外部本線からの電力供給にも依存しており、その電力は設備下部の送風装置７に隣接設置された電力制御手段４４により制御された冷凍装置４３に供給されて、そこで発生した冷気および冷水が連結部材２７に設けられた冷気供給口２７aを経て前記冷気噴射配管４０のノズル孔４０aに供給され、或いは冷水循環配管４１に供給される。第３冷却手段としてのヒートパイプ４２には動力源からの冷熱は不要であり、代わりに自然（大気と地中）の温度差がその駆動力の役割をする。

凝縮材ユニット２０を構成する凝縮材本体２１について言えば、凝縮材本体２１は既述の通り、断面が円形、楕円形、４角形以上の多角形をなす円柱ないし多角柱であって、そのサイズは例えば径約０．５ｍ近傍、高さ２〜６ｍの範囲で任意の大きさに形成することができる。円柱ないし多角柱本体２１の個々の重量は数トンのオーダーである上に、外側を鉄柱等の支柱からなる補強枠体２４で保持しているので、地震や風雨、砂嵐等に耐えうる強度のある耐震構造となっている。多孔質凝縮材２２を構成する親水性凝縮表面と撥水性凝縮表面を有する多孔質材料は例えば自然石（石灰石、珪藻土、黒曜石、電気石、軟石、火山石等）、多孔質加工石すなわち顆粒状に粉砕した複数の石と化学薬品との混練、焼結により得られた加工石、セラミック、フライアッシュの非焼結固形物、ガラス、金属または樹脂材料等から広範囲に選ばれた塊状ないし粒子状物質の、要は湿分を吸収、吸着できる表面積の大きな材料でありさえすればよい。凝縮面の親水性と撥水性は前記多孔質材料基材に対して例えば二酸化チタン等の親水性材料やフッ素系、シリコーン撥水剤等で表面処理することにより付与される。

前記凝縮材の充填方法は、目の粗い金属籠状ないし格子状ケーシング２３内に凝縮材粒子径の大きさが、大は拳大から小は０．５ｃｍ程度のものまで、外部気象条件に合わせて粒子形分布を調整して配置、充填していくことが好ましい。また、多段凝縮材ユニット構造体からなる凝縮装置の場合、各段の間でその粒子径分布の異なるものを採用することが好ましい。

前記のように構成された淡水製造設備の底部基体５は、図７に示すように、滴下してくる凝縮水を１箇所で集めやすいように、断面Ｕ字またはＶ字形状の溝がたとえば波状または凹凸状に延在する扇状集水溝６として形成されている。また場合によってこの集水溝６は出口溝側へほんの僅かに傾斜していてもよい。底部基体５自体は重い凝縮材やハウジング等に耐えうるコンクリート等補強構造で建造されているが、溝はＳＵＳ等の耐腐食性材料製であることが望ましい。そして集水溝６の下方には水を集め、貯留する集水タンクないしピット１２が設置されていて、最終用途に向けられる。

以上説明した本発明淡水製造設備は、集水した淡水を飲料水または工業用水、農業用水等の目的、用途のために、適宜、精製装置と連結することができる。そのような精製装置はたとえば前記集水装置１２と連結される、第1段ろ過装置１３、第2段ろ過装置１４、還元装置１５などからなっていて、この順に連結されている。第１段ろ過装置１３はステンレス金網等のろ過装置であって、粗ごみをろ過する。第2段ろ過装置１４は活性炭、砂、砕石等からなる軟水化装置である。還元装置１５は高周波を通電して、水の電位を０〜−２００ｍＶとすることにより細菌類の殺菌、有機ガスの無機ガス化によって飲料水に適するようにする装置である。

前記第１段ろ過装置１３をへた水は工業用水または農業用水として利用できる。その上さらに第２段ろ過装置１４または還元装置１５を経た水は飲料水または工業用水として利用できる。

本発明の大気中の湿分からの、淡水製造設備は上記した例に限定されるものではなく、目的に当業者が適宜改変しうる態様をも含むものである。また本発明の淡水製造方法についても同じく上記方法に限定されるものではない。

次にその設備の運転方法すなわち淡水製造方法についての例を説明する。

図１に概略示される設備は、日中、大気温度が高い場合は強制冷却モードで運転され、結露した水が集められる。夜間については太陽光の影響もなく、安定した低い温度変化があり、結露した水が集められる。すなわち下部の通風装置６と上部の換気ダクト４内の換気手段７とにより大気を設備内に強制的に取り入れて、煙突効果により上昇させるとともに凝縮装置１１の内部を流動、循環させて多孔質凝縮材２２の微孔内表面に吸収、吸着、接触させる。送風装置７の送風速度は０．５ｍ／秒以上とする。夜間、空気の温度が低下して凝縮材を冷却し始めるとき、同時に冷水循環配管４１とヒートパイプ４２により多孔質凝縮材２２を冷却させる。すると温度勾配が生じて、周辺温度が露点以下に下がり始め凝縮が始まる。凝縮前或いは初期段階に水スプレー配管４０から水を噴霧して凝縮材表面を濡らすと凝縮が誘発される。大気流の流動、循環に必要な動力は日中蓄積しておいた太陽エネルギーと風力エネルギーにより充分賄うことができる。結露した水は集水溝６から、集水ピット１２に滴下する。

本発明の淡水製造設備の１例を示す概略斜視図である。 同凝縮材ユニットの集合体としての凝縮材ユニット構造体の部分斜視図である。 同設備内に設置された凝縮装置の凝縮材ユニットの１例を示す部分斜視図である。 同凝縮材ユニットに設置された第１強制冷却手段の１例を示す部分概略図である。 同凝縮材ユニットに設置された第２強制冷却手段の１例を示す説明図である。 同凝縮材ユニットに設置された第３強制冷却手段の１例を示す説明図である。 同設備の底部における集水手段を図示する概略図である。

符号の説明

１：設備ハウジング
４：換気ダクト
６：集水溝
７：送風手段
８：換気ファン
９：太陽電池パネル
１０：風力発電装置
１１：凝縮装置
１６：地下掘り下げ部
２０：凝縮材ユニット
２１：凝縮材本体
２２：多孔質凝縮材
２５：補強枠体
２６：連結軸片
２７：連結部材
２９：レール
３０：凝縮材ユニット構造体
４０：第１強制冷却手段（水噴霧・冷気噴霧配管）
４１：第２強制冷却手段（冷水循環配管）
４２：第３強制冷却手段（ヒートパイプ）
４３：冷凍装置

Claims (16)

1. 大気中の湿分から淡水を製造する設備であって、上部にダクトを有する屋根と前記屋根から下方に延在する側面支柱と防護壁網等とからなる設備全体を覆うハウジングおよび底部基台、
   大気を設備内に強制的に導入するための前記設備下部に設けられた大気導入手段、
   導入された大気を煙突効果によって大気流として設備内部中に流動化、上昇させるためのダクト内に設置された大気流の流動化促進手段、
   設備内空間全体に亘って配設された、前記大気流との接触により大気流湿分を吸収し露点にて凝縮させるための多孔質凝縮材を含む凝縮装置、
   前記凝縮装置内に設置された、大気流湿分強制冷却手段、および
   前記多孔質凝縮材表面に凝縮した水を集めるための集水装置から構成された設備において、
   前記凝縮装置は横断面が概して円形または多角形の柱状体外形をなす通気性籠状ケーシング内部に前記多孔質凝縮材を充填してなる凝縮材本体と前記ケーシング外周全体をとり囲む剛性補強枠体とから形成した凝縮材ユニットからなり、前記凝縮材ユニット複数個が互いに水平および垂直方向連結手段を介して、前記大気流の流路を確保しうるように可変間隔を隔てて水平方向に配列、固定されて１段凝縮材構造体をなすかまたはさらに水平方向と垂直方向に配列、重積、固定されて全体として多段凝縮材構造体をなしており、
   前記多孔質凝縮材は親水性と撥水性を個別にまたは両方とも付与されてなる多孔質材料の集合体で構成されており、
   前記大気流湿分強制冷却手段は、前記補強枠体それ自体である、凝縮材湿潤による凝縮誘発と大気流湿分冷却のための水噴霧・冷気噴霧式第１強制冷却手段、各凝縮材ユニット内部に挿嵌された、冷流体循環式第２強制冷却手段、およびその上端が凝縮材本体中心部に位置しその下端が底部基台下の地中に位置するように埋設された、大気と地中の温度差による冷熱を利用する無動力式第３強制冷却手段の少なくとも２種以上からなることを特徴とする、大気中の湿分から淡水を製造する設備。
2. 大気と地中の温度差を利用する冷熱による前記大気流湿分の第３強制冷却手段はその全長が地面下に位置するよう凝縮材ユニット内に埋設された状態で、前記設備全体が半地下に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の淡水製造設備。
3. 前記凝縮装置の凝縮材ユニットを構成する前記補強枠体は、そのケーシング外周に円周方向縦方向に等間隔でとり囲む少なくとも２本の剛性筒状支柱と、その頂部と底部に前記筒状支柱両端部から延在する連結軸片とからなっており、前記支柱はその上端部から枠体を垂直方向に連結するための連結手段を備えていること、
   前記凝縮材ユニットは各自隣り合う凝縮材ユニットと前記連結軸片同士を連結する連結部材によって水平方向に連結されていること、
   前記凝縮材構造体は前記垂直方向連結手段を介して各凝縮材ユニットの補強枠体同士を互いに連結するための対応する対をなす連結手段を備えた前記凝縮材ユニットの吊上手段をその上部に備えていて、凝縮材ユニット間の間隔を自由に調整できるようになっているとともに凝縮材ユニット同士は水平と垂直両方向に確実かつ柔軟に連結されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の淡水製造設備。
4. 前記多孔質凝縮材は自然石、多孔質加工石、セラミック、フライアッシュ、ガラス、金属および樹脂から選ばれた概して塊状の多孔質材料を基体として、親水性および撥水性を個別または両方付与されてなる多孔質凝縮材の集合体からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか1項に記載の淡水製造設備。
5. 前記親水性を付与されてなる多孔質凝縮材がシラノール基含有化合物または二酸化チタン材料により処理されたものであり、前記撥水性を付与されてなる多孔質凝縮材がフッ素系またはシリコーン系撥水剤により処理されたものであることを特徴とする、請求項４に記載の淡水製造設備。
6. 前記凝縮材本体は耐食性材料網からなる籠状ケーシング内に、多孔質凝縮材が外部気象条件に適合するように調整された粒子径分布にて充填されてなる、請求項１〜５のいずれかに記載の淡水製造設備。
7. 前記水噴霧・冷気噴霧式第１強制冷却手段が冷凍装置に連結された水噴霧・冷気噴霧配管であり、前記冷流体循環式第２強制冷却手段が冷凍装置に連結された冷水循環式コイル状配管であり、大気−地中温度差冷熱による第３強制冷却手段がヒートパイプである、請求項１〜６のいずれかに記載の淡水製造設備。
8. 前記側面防護壁は網状壁と取り外し可能な遮蔽壁とを含む２重壁からなり、防護壁の支柱は前記凝縮材ユニットの移動手段の支柱を兼ねている、請求項１〜７のいずれかに記載の淡水製造設備。
9. 前記設備のハウジングは開閉式折りたたみ可能な傘状屋根と耐食性材料の側面防護壁網等とからなっている、請求項１〜８のいずれかに記載の淡水製造設備。
10. 前記設備はその頂部および／または屋根上に、前記大気導入手段、前記大気流の流動化促進手段を駆動させるためのクリーン自然エネルギー発生手段を備えるとともに、設備下部に、水噴霧・冷気噴霧式第１冷却手段および冷流体循環式第２冷却手段を駆動させるための冷凍装置を備えてなる請求項１〜９のいずれかに記載の淡水製造設備。
11. 前記設備は前記底部基台に、断面U字状またはV字状の波状、凹凸状溝を呈する扇状集水溝を有しており、前記集水溝は前記集水装置に連結している、請求項１〜１０のいずれかに記載の淡水製造設備。
12. さらに、集水装置に連結された水精製装置を有することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の淡水製造設備。
13. 前記水精製装置は少なくともろ過装置からなる請求項１２に記載の淡水製造設備。
14. 前記水精製装置はさらに、殺菌装置および／または還元装置からなる請求項１２に記載の淡水製造設備。
15. 大気中の湿分から淡水を製造するための、請求項１に記載の凝縮材ユニットからなる凝縮装置を含む淡水製造設備において、
    大気を設備下部入口から設備内に強制的に導入して大気流を作り、導入大気流を各凝縮材ユニットを通して流動化させるとともに凝縮材本体内部を、動力源からの冷熱および大気と地中の温度差による冷熱とによって強制冷却しながら、設備内部の周辺温度を露点に低下させると同時に、親水性および撥水性を個別または両方付与された多孔質材料の集合体からなる多孔質凝縮材を水で湿濡させて凝縮を誘発させるとともに、大気流湿分を多孔質凝縮材内部まで接触、吸収させ、湿分を水として凝縮させた後、速やかに凝縮水を凝縮材表面から離脱、流下させ、集水することからなる、大気中の湿分から淡水を製造する方法。
16. 大気中の湿分から淡水を製造するための、請求項２に記載の凝縮材ユニットからなる凝縮装置を含む淡水製造設備において、
    設備下部において大気と地中の温度差による冷熱を利用して冷却しながら、大気を設備下部入口から設備内に強制的に導入して大気流を作り、導入大気流を各凝縮材ユニットを通して流動化させるとともに凝縮材本体内部を、動力源による冷熱および大気と地中の温度差による冷熱とによって強制冷却しながら、設備内部の周辺温度を露点に低下させると同時に、親水性および撥水性を個別または両方付与された多孔質材料の集合体からなる多孔質凝縮材を水で湿濡させて凝縮を誘発させるとともに、大気流湿分を多孔質凝縮材内部まで充分接触、吸収させ、湿分を水として凝縮させた後、速やかに凝縮水を凝縮材表面から離脱、流下させ、集水することからなる、大気中の湿分から淡水を製造する方法。

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