JP2007513752A - 改良された自浄式水処理装置 - Google Patents

Abstract

蒸留に基づく、改良された自浄式浄水システム。このユニットは、沸騰チャンバ（２）、脱ガス装置（４）、およびサイクロンデミスタ（３）を有する。改良点として、大量製作および製造と、検査、修理、および点検のための簡単な分解と、振動および機械的衝撃に耐えるためのしっかりした構造とが挙げられる。

Description

本出願は、２００３年１２月２日に出願した「改良された自浄式水処理装置（Ａｎ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｅｌｆ−ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ）」という名称の米国仮特許出願第６０／５２６，５８０号の出願の利益を請求する。その明細書を参照により本明細書に組み込む。

本発明は、水およびその他の液体の蒸留に関し、より詳細には、最初の脱ガス、沸騰による蒸発、蒸気（スチームおよびベイパー）の選択的な分離、ならびに生成物の凝縮を利用する蒸留システムおよび方法に関する。

従来の水源がますます不足してきているため、また地方自治体の飲用水配給システムが経年的に劣化するため、また水の使用量増加によって井戸および貯水池が枯渇し塩水汚染を引き起こすため、さらに、集約農業およびガソリン添加剤、そして有毒重金属によってさえも、従来の水源にさらなる汚染が生じ、微生物および細菌、塩、ＭＴＢＥ、塩素酸塩および過塩素酸塩、ヒ素、水銀、ならびに飲用水の殺菌に使用される塩素化合物などの化学物質の増大および好ましくない水準をもたらすため、浄水技術は急激に現代生活の必要不可欠な側面となりつつある。

逆浸透（ＲＯ）、濾過および化学的処理などの従来の技術は、様々な水汚染物質に対処できることは少なく、それらは市販されてはいるが、許容可能な水質を達成するために多数の処理段階または様々な技術の組合せを必要とすることが多い。紫外（ＵＶ）線照射またはオゾン処理などの比較的新しい技術は、ウィルスおよび細菌に対して有効となり得るが、溶解ガス、多くの塩、炭化水素、および不溶性の固体など、その他の汚染物質を除去することはまれである。ほとんどの蒸留技術は、一般的に多数の汚染物質を除去することにおいて優れるが、それらは選択的な汽水分離システムを備えない限り、依然すべてのタイプの汚染物質に対処することはできない。

したがって、連続的かつ自浄式であり、入力水の大部分を取り出す高度な蒸留システムが、増えつつある水質汚染問題および水不足を解決するための最良の長期的な選択肢のようである。しかし、有効であるためには、そのような蒸留システムは、臭気および炭化水素だけでなく、固体、溶解ガス、溶解塩、細菌およびウィルスをも除去しなければならず、これは本発明の課題となる。

水蒸留システムからすべての汚染物質を除去しようとする従来の試みが、米国特許第６，６８９，２５１号、同第６，４２３，１８７号、同第６，６６３，７７０号、同第５，９６８，３２１号、同第６，５０６，２８４号、同第６，４２８，６５６号、同第６，４０６，５９７号、同第６，２９４，０５４号、同第６，１１３，７４４号、同第５，７２９，９８７号、同第５，４８４，５１０号、同第５，５８７，０５５号、同第５，５３６，３７５号、同第５，５２２，９７０号、同第５，４３５，８９１号、同第５，２３２，０８５号、および同第４，９３８，８６８号により知られている。

米国特許第６，６８９，２５１号には、ボイラ水中の不純物濃度が上昇したときにボイラ水を定期的に抜き出すのを可能にする、熱交換器を備える蒸留器が記載されている。しかし、ボイラ内で生成された蒸気を清浄な分留と不純な分留に分離する措置はとられない。同じ発明者による別の特許である米国特許第６，４２３，１８７号には、毛管作用芯による薄膜蒸発の原理に基づいて動作する蒸留システムが記載されている。

米国特許第６，６６３，７７０号には、脱ガス装置、ボイラ、および汽水分離システムを有する自浄式蒸留システムが記載されている。しかし、その発明は、そのようなシステムに伴う沸点での磨耗および機械的安定性の問題を有する、ボイラ内の水位を制御するフロート弁を備える。同特許にはまた、潜在的な漏れおよび保全の問題を誘発する、ボイラを清浄化する機械的ワイパを動作させるシャフトが記載されている。

米国特許第５，９６８，３２１号には、凝縮熱を部分的に回収するために熱交換器および圧縮機に依存し、光感知装置に接続された側部ガラス管によってボイラ内の水位を制御する、同様の蒸留システムが記載されている。

さらに、米国特許第６，４３６，２４２号、同第６，５０６，２８４号、同第６，２９４，０５４号等では、蒸発によるエネルギー必要量を低減させるための手段として、真空蒸留が利用される。真空蒸留によって、１００℃未満での沸騰が事実上可能になるが、これは漏れを生じやすく、そのような漏れは、蒸留システムが大きくなるほど生じやすくなる。真空蒸留システムに共通の別の欠陥は、それらは通常蒸気圧縮段階を必要とし、圧縮機の維持費が高く、かつ、それらが特別にシールされていない限り生成水内に潤滑剤の混入をもたらす可能性があることである。したがって、米国特許第６，３６５，００５号などの蒸気圧縮蒸留器にもまた、同様の信頼性および混入の問題がある。

米国特許第６，４２８，６５６号には、塩を含有するミスト滴を捕捉する手段として、ボイラの沸騰水位より上にあるスクリーンが記載されている。金属または親水性のスクリーンによって液滴を捕捉することができるが、捕捉効率は液滴のサイズによって変化し、スクリーンの開口が微細（その代わりスクリーンを通過して著しい圧力低下を生じさせる）でない限り、それらは小さなミスト滴を通過させる可能性がある。

米国特許第６，４０６，５９７号には、脱ガス装置およびデミスタを備える蒸留装置が記載されている。デミスタは、可撓性の管からなる。管内への不純なミスト液滴の捕集は、１００％有効であることはめったになく、ポリマー管の化学組成に依存する、一般に確率論的なプロセスであり、不純物は最終的に生成水となる蒸気中に浸出する可能性がある。

米国特許第６，１１３，７４４号には、管状部材の頂部と底部の間に原水が導入され、蒸気がユニットの頂部から出て、脱ガスされた水が底部から出る、脱ガス装置が記載されている。そのような構成では、水流中の最も揮発性の高い成分の脱ガスしか達成されず、ＭＴＢＥおよび塩素のような揮発性成分が両方とも原水中に存在する場合は特に、本発明よりも効率が低い。

米国特許第５，７２９，９８７号には、塩水に使用する蒸留装置が記載されており、塩水と脱塩された水との混合を防ぐ蒸気分離ダクトの列に基づき、熱交換にアンモニア冷媒を使用する。

米国特許第５，４８４，５１０号および米国特許第５，５８７，０５５号には、導電性プローブによって作動されるポンプによって不純な蒸気から清浄な蒸気を分離する蒸留システムが記載されている。しかし、気相中の導電度測定は、蒸気が均質である場合にのみ有効であり、ミストが液体の微細な液滴を含む場合は当てはまらない。

米国特許第５，５３６，３７５号には、蒸気からミスト滴を分離させるために機械的バッフルを使用する真空蒸留システムが記載されている。しかし、上述した真空蒸留の問題点に加え、バッフルは一定のサイズより大きい液滴の捕捉にのみ有効であって、より小さい液滴は慣性が大幅に低く蒸気の流れ乗って運ばれ続けることになる。

米国特許第５，５２２，９７０号には、蒸気に対しては浸透性であるが塩水に対しては不浸透性であるポリテトラフルオロエチレンの管に基づく蒸留システムが記載されている。

米国特許第５，４３５，８９１号には、加熱によって気体を消滅させる蒸留システムが記載されるが、清浄な蒸気を不純な蒸気から分離するための措置はとられない。

米国特許第５，２３２，０８５号には、脱ガス装置と、高圧沸騰チャンバと、蒸気をミスト滴から分離するための疎水性膜とを備える蒸留システムが記載されている。しかし、高圧システムに関する上述の問題に加え、膜分離装置は、ミスト滴が一定のサイズの範囲内である場合にのみ有効であり、より小さい液滴は慣性が低いため蒸気の流れに乗って運ばれる可能性がある。

米国特許第４，９３８，８６８号には、清浄な蒸気からミスト滴を分離するために円形のミスト捕集装置を使用する真空蒸留システムが記載されている。しかし、真空蒸留装置に関連する上述した問題に加え、この特許では大きいミスト粒子しか収集できないことが認識されている。
米国特許第６，６８９，２５１号明細書 米国特許第６，４２３，１８７号明細書 米国特許第６，６６３，７７０号明細書 米国特許第５，９６８，３２１号明細書 米国特許第６，４３６，２４２号明細書 米国特許第６，５０６，２８４号明細書 米国特許第６，４２８，６５６号明細書 米国特許第６，４０６，５９７号明細書 米国特許第６，３６５，００５号明細書 米国特許第６，２９４，０５４号明細書 米国特許第６，１１３，７４４号明細書 米国特許第５，７２９，９８７号明細書 米国特許第５，４８４，５１０号明細書 米国特許第５，５８７，０５５号明細書 米国特許第５，５３６，３７５号明細書 米国特許第５，５２２，９７０号明細書 米国特許第５，４３５，８９１号明細書 米国特許第５，２３２，０８５号明細書 米国特許第４，９３８，８６８号明細書

本発明の目的は、気体、固体、塩、炭化水素、および微生物を水から除去する、連続的な、完全に自動化された水蒸留システムを提供することである。

改良された自浄式水処理装置は、多数の汚染物質を飲料水から除去する３つの連続機能を有する。第１に、脱ガス装置によって、臭気およびほとんどの炭化水素などの溶解ガスが除去される。次に、特別に設計されたボイラで、固体微粒子または塩を含有しているミストを運ぶ可能性がある蒸気を生成する。次いで、清浄な蒸気と汚染された蒸気との混合物が、サイクロンデミスタによって純粋な蒸気と不純な蒸気とに分離される。清浄蒸気の分留は最終的に、純粋生成物タンクへと供給する凝縮器内に集められる。

図面に示すように、蒸留システムは、ボイラ、脱ガスユニット、蒸気分離用のデミスタ、および生成物凝縮器を有する。図１および図２は、本発明に従って構成された装置の上面図および側面図である。ボイラ頂部（１）は、この装置の主要な構成要素であり、それに取り付けられているのは沸騰チャンバ（２）、サイクロンデミスタ（３）、および脱ガス装置（４）である。Ｏリング（図示せず）が、沸騰チャンバとボイラ頂部との間、およびサイクロンデミスタとボイラ頂部との間にシールを形成する。この装置の材料はすべて、チタンまたはステンレス鋼など、装置の腐食または生成される水の汚染を最低限に抑えるように選択される。

実質的に製造コストを低減させる、大量の部品製造および大量の製造組立工程を可能にするために、設計が改善されてきた。沸騰チャンバのスチール引抜きによって、ボイラ内のガスケットまたはシールの必要がなくなり、それによって、ボイラ本体の製作がより容易になり製造がより安価になると同時に、保全コストが最低限に抑えられる。さらに、スチール引抜きおよび成形によるボイラ本体の製作によって、ユニットの耐久性が向上し、コアアセンブリの耐用期間が延びる。

構成部品の検査、点検清浄、および修理または交換のための迅速な分解を可能にするために、設計が改善されてきた。沸騰チャンバ２は、一連の周縁ボルトおよびボルトの列の外側に配置されたＯリングによって圧迫シールが行われ、蒸気とＯリングとのいかなる接触も低減されるようにボイラ頂部１に取り付けられる。

輸送、設置、および連続動作で見られる、機械的な衝撃および振動特性に耐えるために、設計が改善されてきた。これらの応力に耐える能力により、装置の信頼性が大幅に向上する。

サイクロンデミスタの構成要素：
サイクロンデミスタ３の構造は、サイクロンチャンバ、蒸気ノズル、およびデミスタシールパッキンを組み合わせて一体化して単一の構成要素とすることによって従来技術を改善し、この構成要素は、様々な耐腐食性材料を成形、鋳造、または打ち抜きすることによって製作することができる。好ましい実施形態では、サイクロンデミスタの本体は、チタンまたはステンレス鋼製であるが、他の耐熱および耐腐食性材料を使用することもできる。

ボイラ頂部１へのデミスタ３の取り付けは、ねじ式の締め具によって、かつＯリングを用いた圧迫シールによって行われる。

図３に示すように、サイクロンデミスタは基本的に、改造されたサイクロンである。ボイラチャンバからの蒸気が、管１１を通ってサイクロンデミスタに入る。サイクロンチャンバに入ると、ボイラからの蒸気は、蒸気を円運動させる金属ガイド１０に衝突する。サイクロン内での蒸気の円運動によって、乾燥したまたは清浄な蒸気より重いミスト粒子が遠心力によってサイクロンチャンバの周縁部に集まると同時に、より軽い清浄な蒸気が、円運動に従ってサイクロンチャンバの中心へと近づく。当業者には明らかなはずであるように、サイクロンデミスタには動く部品がなく、単に遠心力の差によって、不純なミスト粒子から清浄な蒸気を選択的に分離する。この円運動の間、集められた、「ブローダウン」とも呼ばれるミストの流れは、出口管６に接触し、廃棄蒸気としてサイクロンデミスタから出る。この廃棄蒸気は次いで雑排水流と合流し、排水路へと向かう。乾燥したまたは清浄な蒸気は、管５を通ってサイクロンデミスタの中央頂部から出て、凝縮器ユニットへと向かう。

沸騰チャンバの構成要素：
煮沸チャンバ２の構造は、大型成形技術を用いることによって従来技術を改善し、継ぎ目の数、シールの数、および部品の数を最小限にし、装置の製造コストおよび信頼性を大幅に改善する。

たった１つの沸騰チャンバシールは、排水口を除き、水の動作ラインより上に作られ、それによって、正常動作時の漏れの可能性がさらに低減される。

取り外せないようにかつ密接して取り付けられた加熱要素１０は、沸騰チャンバ底部の密閉区域内を加熱する。沸騰水の性質によって、沸騰プロセスが行われている表面上または付近に（堆積物）すなわち湯垢が形成される。ボイラ内のガラスまたはセラミックのボール７が、沸騰水によって攪拌され、沸騰チャンバの表面上に湯垢が堆積するのを防止し、正常動作時に粒子を水中に浮遊させたままにする。

ユニットの動作サイクルの最後に、堆積物排出口９が自動的に開き、ほとんどすべての水および浮遊した湯垢を、沸騰チャンバから取り除く。このプロセスは湯垢の長期的な蓄積を大幅に減少させ、それによってボイラの加熱効率が向上し、ボイラ清浄化の必要が低減される。

沸騰チャンバ内の水位および蒸気圧は、ボイラ内の水位がいっぱいのときに入水弁を閉じる差圧スイッチによって自動的に制御される。

図４に示すように、流入する給水は、管１２を通って沸騰チャンバに入り、沸騰チャンバの内部において、ボイラ頂部１から懸架された熱交換器８の中で予備加熱される。給水は、沸騰チャンバとの平衡温度に到達し、脱ガス装置４の頂部内に熱湯を運ぶ管１３を通って出る。この予備加熱プロセスは、給水が脱ガス装置に入る前に給水の温度を沸点近くに上昇させる手掛かりとなる。当業者に知られているように、揮発性ガスおよび有機成分は、低い蒸気圧では、水の沸点付近の温度で溶液中に留まる能力を失い、ガスとして発生する。

脱ガス装置の構成要素：
脱ガス装置４は、予熱された水が管１３を通って頂部に入り、沸騰チャンバ２からの蒸気が底部から入って頂部から管１６を通って出る、垂直管からなる。垂直脱ガス管４は、水が重力により脱ガス装置を緩やかに降下するとき水と蒸気を混合させて水中の望ましくないガスを取り除く様々な材料１４を含むことができる。この混合に使用することができる材料は、ガラスボール、セラミックボール、スクリーンディスク、螺旋スクリーン、または金属破片を含む。脱ガス管４とボイラ頂部１との間に、耐腐食性を有する金属スクリーン１５が配置され、好ましい実施形態ではガラス球からなる混合媒体１４が、沸騰チャンバ内に落ちることを防止する。

本発明の重要な態様は、ガラス球のサイズに関し、このサイズは、流入する給水が脱ガス管の全長を移動するのにかかる短い時間で揮発性成分を効果的に取り除くのに十分な表面積をもたなければならない。従来技術の水平構成の脱ガス装置は通常、この理由から有効ではなく、したがって、汚染された水から揮発性物質を完全に取り除くことができない。蒸気と水の混合を高めるために、超音波によって水をミスト状にすることもできる。

ボイラチャンバ２、脱ガス装置ユニット４、およびサイクロンデミスタ３の上面図である。 脱ガス装置４、ボイラチャンバ２、およびサイクロンデミスタ３を示す、蒸留コアの側面図である。 流入蒸気管１１、蒸気を円形パターンで回転させるように送る金属蒸気ガイド１０、不純な蒸気およびミストを排水管へと送るミスト捕集管６、および清浄な蒸気を凝縮器ユニットへと運ぶ清浄蒸気収集管５など様々な要素の好ましい構成を示す、サイクロンデミスタ３の詳細図である。 ボイラチャンバ２の上でボイラ頂部１上に取り付けられた脱ガス装置ユニット４の詳細図であり、流入給水管１２、ボイラチャンバ２の内側にあるコイル状の熱交換器８の位置、脱ガス装置ユニット４の頂部へと供給する熱湯管１３、脱ガス装置ユニット４の内側にある混合媒体１４、混合媒体１４を支持するスクリーン１５、および汚染された蒸気およびミストを排水管に運ぶ管１６の好ましい構成を示す。

Claims (19)

1. 少なくとも１つの汚染物質をサンプルから除去する方法であって、
   サンプルを脱ガスする第１のステップと、
   前記サンプルを加熱して蒸気にする第２のステップと、
   前記蒸気を分離する第３のステップとを有し、それによって前記サンプルから汚染物質を除去する方法。
2. 前記サンプルは水である、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの汚染物質は沸点が水よりも低い、請求項２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの汚染物質はＭＴＢＥである、請求項３に記載の方法。
5. 前記サンプルは脱ガスされる前に加熱される、請求項３に記載の方法。
6. 前記サンプルはボイラ内で加熱される、請求項５に記載の方法。
7. 汚染物質をサンプルから除去する方法であって、
   液体サンプルから汚染物質を除去するのに十分な量の熱を前記液体サンプルに加えることと、
   前記液体サンプルを蒸気内に移動させることと、
   前記蒸気を清浄な蒸気と汚染された蒸気とに分離することと、
   前記清浄な蒸気を隔離することと、
   前記清浄な蒸気が凝縮することを可能にすることとを含む方法。
8. 汚染物質をサンプルから除去する装置であって、
   脱ガス装置と、
   前記脱ガス装置と流体連通する沸騰チャンバと、
   前記沸騰チャンバと蒸気連通するデミスタとを有する装置。
9. 前記沸騰チャンバは前記脱ガス装置と蒸気連通する、請求項８に記載の装置。
10. 前記沸騰チャンバは、物理的攪拌によって湯垢の付着を防止することができる少なくとも１つの固体を含む、請求項８または９に記載の装置。
11. 前記固体はビーズである、請求項１０に記載の装置。
12. 前記脱ガス装置は、望ましくない気体の除去を助ける材料を含む、請求項８から１１の１項に記載の装置。
13. 前記材料は、ボール、ビーズ、ディスク、スクリーン、および破片からなる群から選択される少なくとも１つの構造を有する、請求項１２に記載の装置。
14. 前記構造は、ガラス、セラミック、および金属からなる群から選択される材料を有する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記脱ガス装置は、前記脱ガス装置からの液体が重力によって下側排水口から前記沸騰チャンバ内へと排出されるように構成され、前記脱ガス装置はさらに、前記脱ガス装置内の相対的に揮発性の高い気体が頂部排水口から出るように構成される、請求項８から１４の１項に記載の装置。
16. 前記デミスタは、
    流入蒸気口と、
    前記蒸気を回転させるように構成された蒸気ガイドと、
    汚染された蒸気がそれによって除去されるミスト捕集装置と、
    清浄な蒸気がそれによって除去される清浄蒸気捕集装置と、
    前記清浄蒸気捕集装置と蒸気連通する凝縮器とを有する、請求項８から１５の１項に記載の装置。
17. 前記装置は、浄水機能のためのいかなる動く部品も備えていない、請求項８から１６の一項に記載の装置。
18. 汚染物質をサンプルから除去する方法であって、サンプルを脱ガス、沸騰、および蒸気分離のために請求項８〜１７の１項に記載の装置を使用し、それによって前記汚染物質を除去することを含む方法。
19. 給水ラインと、
    前記給水ラインが水を注ぐ脱ガス装置と、
    沸騰チャンバであって、前記脱ガス装置の少なくとも底部が前記沸騰チャンバの一部と流体連通し、前記沸騰チャンバは前記脱ガス装置に熱を供給し、前記給水ラインの少なくとも一部が前記沸騰チャンバ内に収容される、沸騰チャンバと、
    前記沸騰チャンバと蒸気連通し、遠心力によって蒸気を清浄な蒸気と汚染された蒸気とに分離するように構成されたサイクロンデミスタと、
    前記サイクロンデミスタと蒸気連通し、前記清浄な蒸気を捕集するように前記サイクロンデミスタと接続されている凝縮器とを有する水処理装置。
    

Images