JP2008025298A - 金属プレート式自動造水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水を得る手段として、水道，井戸，河川などの既存水源を用いずに、大気中の湿気から水を抽出する造水装置を提供する。
また、必要な時に必要な量の水を大気から造水することで、水資源の浪費を防ぐ装置を提供する。
【解決手段】親水性被膜を表面に施した熱伝導性に優れる金属プレートを冷やすことで、金属プレート表面上に大気中の湿気を凝集させて水を得る手段において、金属プレートに生成する水量が急増量過程にあり、飽和状態になる直前の時点で、金属プレート表面上の生成水膜をワイパーの摺動によって拭き落とす方式、または超音波発振子の微振動によって生成水膜を弾き飛ばす方式を採用することにより、大量の水を効率よく収集するには好適であり、課題を解決する手段とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、大気中の湿気から水を抽出するための冷却器付き金属プレートと金属プレート表面上に生成した生成水膜を剥離するための強制剥離機構を備えた造水装置であり、以後本装置を「造水装置」と呼ぶことにする。尚、本発明は同一人が申請済みである「特願２００４−２６２１５８」の関連特許である。

水は地球生物の生命の源である。一方地球環境温暖化現象により世界各地で乾燥化砂漠化が進行している。石油より水の方が高価な地域も存在する。本発明は水の原料となる大気中の湿気から水を抽出する造水装置である。本造水装置は水を必要とする様々な場所や用途に適した製品群を提供することを目的としている。

本発明が解決しようとする課題は、原料となる大気並びにその湿気は無料であり、この無料の資源から必要とする水量を必要とする時に抽出する技術に関する。

造水技術の原理は、物質を冷やすことで物質表面に水が結露する普遍的な自然現象である。この自然現象を利用して最も効率よく造水量を最大にする手段を求めることが課題である。

造水量増加のための主要技術は次の２点である。１点目は、冷却した金属プレート表面に凝集する水膜の生成時間が早く、且つ水量が多いことである。このためには、金属プレートの表面を親水性に改質する表面の粗面化または，および親水性物質の被膜を施すことで課題を解決する。
２点目は、冷却した金属プレートの表面に生成される水膜の厚さが一定量を超えると増水を阻止してしまうため、急増量過程で増量が鈍化する飽和の前過程において、生成水を強制的に剥離機構で拭き取ることである。この剥離機構の動作により、常温常湿では１ヶ月当り約2,000倍以上，砂漠地などの低湿度（30%）でも約1,000倍の増量効果があることが実験によって判明している。

大気の湿気から水を抽出する本造水装置の主な構成要素技術を列挙する。
(1)水を効率よく抽出するための表面を親水性に改質した金属プレート
(2)金属プレートを冷やすための冷却器
(3)金属プレートの表面に生成した水を拭き落とす剥離機構（ワイパー，超音波発振など）
(4)ワイパーを作動するためのモータ，超音波発振子を作動するための超音波発振器など
(5)予定造水量を積算するための気象データを計測する気象センサー
(6)与えられた気象条件下で最大量の造水をするために装置全体を制御，およびユーザーからの指示情報を受付ける制御装置
(7)生成した水の水位を見張る水位センサー
(8)生成した水を移送する送水機
(9)貯水槽，その他を装備した本体ケース・架台
(10)太陽光発電装置，風力発電装置，および商用電力など併用または単独使用可能とする
以上の要素などによって本造水装置は構成される。

親水性被膜を施して表面を改質した金属プレートを冷却器で冷やすことにより、大気中の湿気を効率よく凝集して水を生成する一方、金属プレート表面に生成した水膜が増量過程にあり、水膜の厚さによる増水阻止現象（飽和状態）が発生する直前の時点で生成水をワイパーで拭き落とすことによって、大量の水を造水することができる。ワイパーだけの増量効果はワイパー不使用の無処理金属プレートと比較して、低湿度（30％程度）の環境では１ヶ月当り約1,000倍となる。

本造水装置の電源動力は、必要に応じて太陽光発電，風力発電，および商用電源を併用または単独で使用できる構成とすることができる。自然エネルギーを利用することで、動力のランニングコストも本装置の水資源である大気と同様に無料とすることができる。

一般的な取水手段は水源，電源，送水インフラなどを準備するには多額の資金を要するため、個人レベルでは実行に難がある。
本造水装置は、砂漠，離島，山間地など、インフラが全く無い場所でも必要な水量を取水することができる。トラックで運搬できる砂漠のオアシスであると言えるものである。

本発明の造水装置における一実施例として、「植物自動水やり装置Ａ（以後 装置Ａと呼ぶ）」の形態について説明する。また、金属プレートは表面に親水性被膜を施し、２枚のアルミニウム（Al）板の間に熱媒体を封入したAlヒートプレートを採用し、生成水膜の剥離には金属プレート表面の付着水を拭き落とすワイパーを採用した場合の例を説明する。装置Ａの実施例での本体サイズは約外径φ20cm×高さ5cmの小型円筒形台座の形態としている。

装置Ａの主要構成要素は、本体ケース１０，金属プレート３０，ギヤモータ４０，ワイパー５０，冷却器６０，制御装置７０，水位センサー９０，導水チューブ１００などである。尚、説明上の電源は商用電力とし、太陽光および風力発電装置などの説明については割愛する。

装置Ａの使用状態について図１にて説明する。観葉植物１２１が土壌１２２，鉢１２３に植栽されている状態をプランター１２０という。
鉢１２３は安価で軽量な樹脂製が望ましい。鉢１２３の底面には導水チューブ１００を貫通するためのチューブ孔１２４を事前に開けておく。装置Ａの上に植物プランター１２０を置載する。美観を整えるため、化粧カゴ１２５および受皿１２６をセットする。電源コード１１０は化粧カゴ１２５の下端部を通してコンセント１３０に差し込む。

本体ケース１０とギヤモータ４０の位置関係について図３，４にて説明する。 本体ケース１０の形態は中央部にモータ室１１を有し、その中にギヤモータ４０を格納して複数のモータねじ１２によって固定する。ギヤモータ４０の回転軸４１は貫通孔１３より上方に突出させ、ワイパー５０を取り付ける。

ギヤモータ４０の仕様について説明する。 回転速度は１回転当り10秒程度の低速が望ましい。理由は金属プレート３０の親水性被膜にワイパー５０が摺動するため、損耗防止，寿命延長のためなどである。従って、回転数を下げるためギヤ付きのモータとしている。

装置Ａは大気中の湿気から水を抽出するものであり吸排気が重要である。吸排気口を設けるため、装置Ａには複数のスタンド１６を設けて床面から浮かせた状態とし開口１７とする。開口１７から入ってきた空気は流入口１８に至って貯水室１４に流入する。貯水室１４に流入した空気は金属プレート３０によって除湿され軽くなり、上方に移動し排気口１９から流出する。空気の出入り量は造水能力に影響するため、空気の通路となる開口１７，流入口１８，排出口１９はできるだけ大きな面積を設けておくことが肝要である。各通路の面積は同などが望ましい。

金属プレート３０について図３，４にて説明する。本実施例では２枚のAl板の間に熱伝導に優れた媒体を封入し、うち１枚のAl板表面に親水性の被膜を施した親水性ヒートプレートを用いる。親水性被膜は環状に構成した金属板３０の内側表面３１である。ヒートプレートは熱伝導性に優れるため、１点の冷却でも全体が冷却される特徴がある。

金属プレート３０の取付位置は、本体ケース１０の貯水室１４の中央部であり、水平方向はリブ１５，上下方向は複数の押え金具２０で固定される。押え金具２０は本体ケース１０の側面に複数の押え金具固定ねじ２１によって固定される。

ワイパー５０について図３，図４にて説明する。ワイパー５０はワイパーアーム５１と先端に着脱可能なワイパーブレード５２で構成したもので、ギヤモータ４０の回転軸４１に取り付けられる。ワイパーブレード５２は図４に示した通り、金属プレート３０の内側表面３１に曲がって接触した状態で取り付けられる。ワイパーブレード５２の材質は、厚さ0.15mm程度の軟質樹脂シートである。

冷却器６０について図３，４にて説明する。装置Ａは主としてプランター植物用なので大量の水を必要としない。従って20deg程度の冷却器としてペルチェユニットを採用する。冷却器６０の冷気は冷気伝達部６１を介して金属プレート３０へ確実に伝達される。冷気伝達部６１はハンダなどを用いて固定する。

制御装置７０について、図２，３，４，６にて説明する。制御装置７０は本体ケース１０の側面に固定する。制御装置７０は装置Ａの頭脳であり、電気系制御，情報系処理並びにユーザー操作部である。関係する部品群は、制御ユニット７１，ギヤモータ４０，冷却器６０，水位センサー９０，気象センサー９１，および電源コード１１０などである。制御および情報処理の主な内容は、水位センサー９０および気象センサー９１からは適正情報を得て、ギヤモータ４０に対して最適時刻での運転／停止指令，冷却器６０に対して必要時間の運転／停止指令，関係する各部品に対して運転／停止の指令、並びに電源コード１１０からの電源入力の有無の判別などである。

制御装置７０の電子回路を構成する制御ユニット７１内には、湿度と温度を計測する気象センサー９１と、計測データをから理論造水量を積算する機能を備えている。予め組込んだ算定方法をもとに、与えられた気象データと常時対比しながら、造水に関する最適運転条件を自ら判断して運転続行する機能を有している。

制御装置７０の外表面には操作パネル７２がある。これについて図６にて説明する。操作パネル７２は液晶画面７３，ON／OFFボタン７８，水量の増減を設定する増量／減量ボタン７９，給水回数を設定する回数設定ボタン８１，ON／OFF状態を確認するための通電灯８２（赤色），造水運転状態を確認するための作動灯８３（青色），設定内容を確定する確定ボタン８０などで構成されている。

通電灯８２はON／OFF状態を目視するための表示灯である。赤色点灯＝通電中，消灯＝通電無しである。作動灯８３は造水の状態を目視するための表示灯である。青色点灯＝造水運転中，消灯＝造水停止中である。尚、通電灯８２が点灯している状態（通電中）の時のみ運転し点灯する。

水位センサー９０について図３，４にて説明する。取付場所は冷却器６０の下方，貯水室１４内に位置し本体ケース１０の内壁に固定される。役割は装置Ａが造水した水量・水位の監視であり、常に所定量になるよう制御ユニット７１に情報伝達するものである。制御ユニット７１はこの情報をもとにギヤモータ４０および冷却器６０の運転／停止を指令するものであり、重要な役割を担っている。

導水チューブ１００について図１，２，３，４，５にて説明する。使用方法と目的は、図１に示すように装置Ａから観葉植物１２１の根幹へ送水するためのものである。送水の原理は、親水性繊維と毛細管現象の組み合わせ技術である。導水チューブ１００の構成内容は、図５に示す通り、外皮はシリコンなどの軟質樹脂製チューブ１０１である。軟質樹脂製チューブ１０１の内空間には、親水性繊維などを直線状に束ねたひも状の親水ひも１０２を更に撥水性表皮１０３で束ねた導水ひも１０４を挿入した形態のものである。

導水チューブ１００の両端は図５の右側に示す通り傾斜断面１０５とし、水の流入および放出を容易にする断面形状とする。流入側は貯水室１４の水１０６に浸漬し、放出側は観葉植物１２１の根幹に対し傾斜断面１０５を下向きにし接触させて固定する。流入した水は勢いよく導水ひも１０４内を伝い、放出側の端に至って観葉植物１２１の根幹に放出滴下する。この放出滴下によって水量が減少した放出側の端には水が補充されこれを繰り返す。流入側の端が水１０６に接していなければ送水は停止する。

説明の便宜上、気象条件は気温は摂氏20度，湿度60％とし、「植物自動水やり装置」として以下の通り説明する。使用にあたっての事前作業は００１２で説明した通りなので記述を省略する。

準備作業について説明する。植物プランター１２０を装置Ａに置載したところで電源コード１１０をコンセント１３０に差し込めば準備完了である。本実施例では商用AC100V電源の使用を想定しているためプラグ付きコードとしているが、太陽光／風力発電装置などその他の電源を接続する場合はそれぞれ適したコードを使用するものとする。

運転操作について説明する。操作パネル７２のON／OFFボタン７８を押すと、通電灯８２（赤色ランプ），作動灯８３（青色ランプ）が点灯する。これらの点灯は造水運転を開始したことを示すものである。同時に液晶画面７３の中央の給水量表示欄７５には「1000」と表示される。この「1000」は１日当り1,000ccの水を毎日繰り返し生産・供給することを示す。

植物プランター１２１は、樹木の大きさ・種類・季節などによって必要水量が異なる。本実施例での標準水量は１日当り1,000ccとしているが、必要に応じて給水量の増減が可能である。給水量の調整方法について以下の通り述べる。

給水量を増量する場合の操作方法を図６にて説明する。
増量／減量ボタン７９の増量側を１回押す毎に100cc単位で増量表示欄７４の数値が変化する。
（例：500cc増量する場合） 増量／減量ボタン７９の増量側を５回押し、増量表示欄７４に「500」と数値が表示されたのを確認し、確定ボタン８０を押すと給水量表示欄７５の数値が「1000」→「1500」となり、増量表示欄７４の数値は消去される。以後、毎日1,500ccの給水を継続する。

給水量を減量する場合の操作方法を図６にて説明する。
増量／減量ボタン７９の減量側を１回押す毎に100cc単位で減量表示欄７６の数値が変化する。
（例：400cc減量する場合） 増量／減量ボタン７９の減量側を４回押し、減量表示欄７６に「400」と数値が表示されたのを確認し、確定ボタン８０を押すと給水量表示欄７５の数値が「1000」→「600」となり、減量表示欄７６の数値は消去される。以後、毎日600ccの給水を継続する。

造水運転を中止する場合は、操作パネル７２のON／OFFボタン７８で「OFF」にすればよい。この時は通電灯８２，作動灯８３および液晶画面７３全てが消灯される。また電源コード１１０をコンセント１３０から引き抜いても同様である。作業中止すると、制御装置７０にユーザーが指定した内容は全てリセットされる。再運転の場合は再入力する。

１日当りの給水を分割して行う場合について説明する。指定された１日当りの水量を１〜４回に分けて給水することが可能である。１日１回の場合は正午，２回の場合は午前９時・午後３時，３回の場合は午前９時・午後１時・午後５時，４回の場合は午前７時・10時・午後１時・４時である。

給水回数の指定方法を図６にて説明する。操作パネル７２の回数設定ボタン８１を押すことで指定することができる。例として、１日３回供給の場合は回数設定ボタン８１を３回押すと液晶画面７３の回数表示欄７７に「３」が表示され、確定ボタン８０を押せば指定完了である。本実施例では回数指定は４回までとしている。回数指定ボタン８１を押すことで「１→２→３→４→１」と繰り返される。この指定通りに毎日分割給水が継続される。

給水回数を複数にする目的は、植物にとっても健康状態を維持することに好条件であるが、鉢１２３からの水の流出を阻止することで据付床面の汚れを防止する効果もある。

運転動作の内容について説明する。まず、本実施例での造水能力について述べる。１日当りの造水量は2400ccであり、１時間当り100ccである。対象植物の必要水量が600ccの場合、装置Ａの運転時間は６時間であり、残り18時間は自動的に造水運転を停止している。分割給水を指定した場合は、給水時刻を読み取り必要時間だけ造水運転をする。

造水量に関する仕組みについて説明する。制御装置７０の制御ユニット７１内の電子回路には、湿度や温度などの気象データを計測する気象センサー９１並びに気象センサー９１からの情報によって造水可能水量を理論計算する積算機能を備えている。一方、ユーザーが指定する情報がある。これらの諸情報を整理し、最適運転の指令を下位機器に与えることが制御装置７０の役割である。指定した水量に達するまでは運転続行，予定水量に達すると一時停止の待機状態になり、通電灯８２が点灯，作動灯８３は消灯となる。

ワイパー５０を必要とする理由について説明する。造水の原理は、大気中の湿気が冷えた金属板に触れることにより、金属板の表面で結露する自然現象である。この結露現象を活性化して増量を促す働きをするものが親水性に表面を改質する特殊被膜（二酸化チタンなど）である。

造水量を大量化する手段について説明する。冷却器６０によって冷やされた金属プレート３０は冷却開始直後から表面に水膜が生成されてくる。生成した水膜が一定の厚さになってくると飽和状態となる。通常の飽和は概ね１時間後である。これ以上時間が経過しても増量は見られない。飽和の原因は、水膜そのものが断熱材となり、冷却を阻害して大気との温度差を無くしてしまうことで、冷却による結露効果が消失してしまうことなどである。再気化する水量も含まれる。

金属プレート３０表面の生成水が飽和する前に取水することが大量造水の要である。経過時間と生成水量の傾向は放物線となり、飽和する時間帯は約１時間であり、30分位までの時間帯は急増量の傾向にある。30分時の延長線上における60分間放置した状態での水量差は約1.5倍である。30分時点で金属プレート３０に生成した水膜を拭き取ることで水量約1.5倍、１日当りでは72倍（24時間×２回×1.5倍＝72倍）、１ヶ月当りでは2,160倍（72倍×30日＝2,160倍）の大量の水を抽出することができる画期的な発明である。この水膜を拭き取る作業をワイパー５０が担う。

ワイパー５０の動作について説明する。冷却器６０によって冷やされた金属プレート３０表面には水膜が急増量過程で生成されている。冷却開始30分後にワイパー５０が作動し、金属プレート３０の表面付着水は拭き落とされ、この水は貯水室１４の底面に落下し、水１０６として貯水される。この動作が繰り返されて貯水量が増加されていく。

導水チューブ１００の動作内容について説明する。一般的に植物プランターの高さは30cm程度であるので、導水チューブ１００でも水やりは充分である。導水チューブ１００の送水能力は、植物が水を吸い上げる力より強いため目標は達成される。自然現象の効用だけであり、電気動力を必要としないことが特徴である。
尚、植物プランターの高さが1m前後，それ以上となる場合は小型ポンプを利用することが望ましい。

導水チューブ１００の吸入側が水１０６に接していることが肝要である。浮き上がった状態では送水できない。従って取付位置を固定してしておく必要がある。その対応策として、グロメット１０７を導水チューブ１００に嵌着し、押え金具２０の通し孔１０８に挿入することで位置ずれを防止している。導水チューブ１００の取付位置は、押え金具２０のいずれでもよい。導水チューブ１００の取付位置に合わせて上フタ２２に必要に応じて通し孔１０９を設ける。

本装置の変形例について説明する。装置Ａはプランター植物向けの小型自動造水装置について述べているが、砂漠の緑化用大型造水装置，災害時・非常時用自家造水装置など、他への応用が可能である。また地下室などの除湿装置としても応用可能である。

金属プレート３０の変形例について説明する。金属プレート３０は対象製品の大きさや用途などによって最適なものを選択する。製品本体を小型化できる順に羅列すると、 超親水性ヒートプレート＜親水性ヒートプレート＜ヒートプレート＜Al板である。本実施例では、親水性ヒートプレートを採用している。親水性ヒートプレートのサイズはφ150mm×高さ33mmであり、新水面の面積は約150平方cmである。

装置Ａの使用状態を示した一部断面図 装置Ａの概観図 装置Ａからフタおよび導水チューブを除いた状態の上面図 装置Ａの断面図 導水チューブの概観図 操作パネルの正面図 装置Ａの機能ブロック図

符号の説明

１０・・・本体ケース，１１・・・モータ室，１２・・・モータねじ，１３・・・貫通孔，１４・・・貯水室，１５・・・リブ，
１６・・・スタンド，１７・・・開口，１８・・・流入口，１９・・・排出口，２０・・・押え金具，２１・・・押え金具固定ねじ，
２２・・・上フタ，２３・・・上フタねじ
３０・・・金属プレート，３１・・・親水性被膜表面
４０・・・ギヤモータ，４１・・・回転軸
５０・・・ワイパー，５１・・・ワイパーアーム，５２・・・ワイパーブレード
６０・・・冷却器，６１・・・冷気伝達部
７０・・・制御装置，７１・・・制御ユニット，７２・・・操作パネル，７３・・・液晶画面，７４・・・増量表示欄，
７５・・・給水量表示欄，７６・・・減量表示欄，７７・・・回数表示欄，７８・・・ON／OFFボタン，７９・・・増量／減量ボタン
８０・・・確定ボタン，８１・・・回数設定ボタン，８２・・・通電灯，８３・・・作動灯
９０・・・水位センサー，９１・・・気象センサー
１００・・・導水チューブ，１０１・・・軟質樹脂製チューブ，１０２・・・親水性ひも，１０３・・・撥水性表皮，
１０４・・・導水ひも，１０５・・・傾斜断面，１０６・・・水，１０７・・・グロメット，１０８・・・通し穴，１０９・・・通し穴
１１０・・・電源コード
１２０・・・植物プランター，１２１・・・観葉植物，１２２・・・土壌，１２３・・・鉢，１２４・・・チューブ孔，
１２５・・・化粧かご，１２６・・・受皿
１３０・・・コンセント
ＧＬ・・・床面

Claims (7)

1. 大気中の湿気から水を抽出する自動造水装置において、熱伝導性のよい金属プレートを冷やすことによって、この金属プレート表面に結露水が生成される現象を用い、結露によって生成された水膜（以下「生成水膜」と呼ぶ）が、急増量過程にあって飽和する前段階時点で生成水膜を強制的に剥離させて集水する仕組みを装備していることを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
2. 請求項１における自動造水装置の主な構成要素は、熱伝導性のよい金属プレート，金属プレートを冷やす冷却器，金属プレートの表面の生成水膜を剥離・落下させ集水するための剥離機構，気象センサーを備え与えられた気象条件下で最大の造水量を積算し、装置全体を制御するための制御装置，並びに貯水槽等を備えた本体架台などで構成されたことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
3. 請求項１および請求項２における金属プレート表面の生成水膜を強制的に剥離・落下させるための剥離機構の構成は、金属プレート表面を摺動して生成水膜を拭き落とすためのワイパー方式，低周波振動によって金属プレート表面の生成水を弾き飛ばす超音波発振器方式，または前期のワイパー方式と超音波発振器方式の併用方式などを用いた生成水膜剥離機構を、造水装置の用途や形態に応じて選択採用したことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
4. 請求項１，２，３における金属プレートにおいて、実質表面積を増大することを目的として、金属プレート表面にサンドブラストなどの機械的，エッチングなどの化学的，シリカなどの微小粉末固着などの表面処理加工を施し、粗面化によって親水性化を図り、表面に生成される付着水を増量させるようにしたことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
5. 請求項１および請求項２の金属プレートの形成において、金属プレートの表面には親水化するための被覆を施して改質した超親水性または親水性金属プレート，或いは表面無処理金属プレートを用い、金属プレートの材質と構成はアルミニウム（以後「Al」と呼ぶ）プレート，２枚のAlプレートの間に熱伝導性のよい熱媒体を封入したAlヒートプレート，または前記Alヒートプレートの表面にステンレス（以後「SUS」と呼ぶ）プレートを密着形成した、SUS-Alヒートプレートなどを造水装置の用途や形態に応じて選択採用したことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
6. 請求項３における３つの剥離機構の動作タイミングは、ワイパー方式／超音波発振器方式／併用方式いずれも１時間当り１〜４回程度とし、動作時間はワイパー方式の場合数分間の低速摺動動作，超音波発振器の場合数秒程度の短時間の発振動作し、効率よく集水する仕組みを搭載したことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。
7. 請求項２における貯水槽から本体架台の内外の場所まで生成水を送水するための簡易送水機構の構成は、親水性繊維などを束ねた導水ひもおよび導水ひもを挿入したチューブを組み合わせた導水チューブとして構成し、導水チューブの両端を斜面形状にして用いる簡易送水機構を採用したことを特徴とする、金属プレート式自動造水装置。