JP2013121585A - 蒸留装置および蒸留方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】液体の補充を自動的に行うことができるとともに、多量のエネルギーの投入が不要であり、設備コストを抑制することができる蒸留装置を提供する。
【解決手段】太陽熱７２によって蒸留水６９を生成する蒸留装置１００であり、太陽熱７２を通過させる熱透過窓１０と、熱透過窓１０を固定するハウジング２０と、ハウジング２０内に配置され、熱透過窓１０を通過した太陽熱７４を吸収する熱吸収体２５とを備え、ハウジング２０は、熱吸収体２５が配置された第１室２１と、第１室２１で発生した水蒸気６４を透過させる水蒸気透過膜４０を介して第１室２１に接続された第２室２２とを備え、第１室２１の下方には、液体取入口５０が設けられ、第１室２１には、熱吸収体２５を覆う液体６３の水位Ｌを調整する水位調整機構３０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、蒸留装置および蒸留方法に関する。特に、太陽熱を用いて貯留領域の液体（例えば、海水）から蒸留水（淡水）を生成する蒸留装置に関する。
太陽熱を用いて海水から淡水を生成する蒸留装置としては、図１に示すようなものが提案されている。図１に示した蒸留装置１０００は、太陽熱Ｈを透過させる山形の凝結板１１０の下方に溶液Ｓが入れられた容器１１１を置き、凝結板１１０の両端部下方に蒸留液Ｗの受け皿１１２を設けた構成を有している（例えば、特許文献１）。
蒸留装置１０００においては、凝結板１１０の上方から太陽熱（太陽光）Ｈが照射されると、太陽熱Ｈは凝結板１１０を透過し、そして、容器１１１に入れられた溶液Ｓを加熱する。加熱された溶液Ｓの溶媒は蒸気Ｖとなって上昇し、凝結板１１０の内面に接する。その接触によって蒸気Ｖは冷却され、凝結して結露Ｄとなる。この結露Ｄは、凝結板１１０の内面を伝わって落下し、その後、受け皿１１２に蓄積されることによって蒸留液Ｗが得られる。
特開平７−２５１０３６号公報
図１に示した蒸留装置１０００は、容器１１１に入れられた溶液Ｓが蒸発してなくなると、容器１１１に溶液Ｓを補充しなければ、蒸留液Ｗを得ることができないという課題がある。また、容器１１１に溶液Ｓを補充する場合でも、その溶液Ｓの補充の制御は難しいものになりがちである。
また、大量の蒸留液を生産する方法としては、熱効率を良くするために減圧蒸留を行う手法がある。海水淡水化の実用プラントにおいては、多数の減圧室を組み合わせて蒸留を行うので、この手法は、多段フラッシュ方式と称される。多段フラッシュ方式においては、大量の淡水を作り出すことができ、海水の品質を問わないが、熱効率が大変悪く、多量のエネルギーを投入する必要があるという課題が存在する。さらに、多量のエネルギーの投入が必要であることから、この海水淡水化プラントは、精油所や火力発電所に併設されることが多く、それ以外の場所に簡単に設置することが難しい。
多段フラッシュ方式の他には、逆浸透法がある。この逆浸透法は、海水に圧力を加えて逆浸透膜（ＲＯ膜）に通すことによって海水の塩分を濃縮して捨て、それによって淡水をこし出す方式である。多段フラッシュ方式よりも、エネルギー効率に優れている反面、逆浸透膜が海水中の微生物や析出物で目詰まりしないように入念に前処理する必要があること、および、設備にコストがかかることなどの課題がある。
本願発明者はこのような状況下において、海、湖または池に浮かべるだけで、太陽熱によって簡便に蒸留水（淡水）を生成する手法の開発に挑み、鋭意検討した結果、本発明に至った。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、液体の補充を自動的に行うことができるとともに、多量のエネルギーの投入が不要であり、設備コストを抑制することができる蒸留装置を提供することにある。
本発明に係る蒸留装置は、太陽熱によって蒸留水を生成する蒸留装置であり、太陽熱を通過させる熱透過窓と、前記熱透過窓を固定するハウジングと、前記ハウジング内に配置され、前記熱透過窓を通過した太陽熱を吸収する熱吸収体とを備えている。前記ハウジングは、前記熱吸収体が配置された第１室と、前記第１室で発生した水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を介して前記第１室に接続された第２室とを備えている。前記第１室の下方には、液体を取り入れる取入口が設けられており、前記第１室には、前記熱吸収体を覆う液体の水位を調整する水位調整機構が設けられている。
ある好適な実施形態において、前記ハウジングは、液体が貯留された貯留領域に浮かべられる。前記取入口から前記貯留領域の液体が導入され、前記取入口から導入された液体は、前記熱吸収体の表面を覆うように前記第１室の内部において保留される。前記熱吸収体の表面を覆う液体からの水蒸気は、前記水蒸気透過膜を通過し、前記第２室の壁面で凝縮されることによって蒸留水となる。
ある好適な実施形態において、前記第１室には、前記取入口から垂直方向に延びた導入開口部が形成されており、前記水位調整機構は、フロートバルブであり、前記フロートバルブは、前記第１室内の液面に位置するフロートと、前記フロートに接続され、前記導入開口部内に配置される連結バーと、前記連結バーの下端側に配置されたストップバルブとから構成されている。
ある好適な実施形態において、前記ハウジングは、前記熱吸収体が設置される第１部材と、前記第１部材に接続され、前記導入開口部が形成された第２部材と、前記第１室と前記第２室とを区分けする第３部材とから構成されている。
ある好適な実施形態において、前記第３部材の一部に、前記水蒸気透過膜が配置されている。
ある好適な実施形態において、前記水蒸気透過膜は、多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜から構成されている。
ある好適な実施形態において、前記ハウジングの前記第２部材の下方領域には、外部に開放された開口部が形成されている。
ある好適な実施形態において、前記取入口には、前記取入口に導入される液体を透過させるフィルタが設けられている。
ある好適な実施形態において、前記第２室の一部には、前記第２室の内部と外部との圧力を調整する気体透過膜が設けられている。
ある好適な実施形態において、前記熱吸収体は、鉄板から構成されている。
ある好適な実施形態において、前記熱吸収体は、蓄熱材料から構成されている。
ある好適な実施形態において、前記熱吸収体の表面は、黒色である。
ある好適な実施形態において、前記熱透過窓は、ガラスまたは透光性樹脂から構成されている。
ある好適な実施形態において、前記蒸留装置には、前記蒸留水を外部に排出する配管が接続されている。
ある好適な実施形態において、前記配管は、前記配管内の前記蒸留水を流動させるポンプ部に接続されている。
ある好適な実施形態において、前記ポンプ部には、前記配管を介して、複数の前記蒸留装置に接続されている。
ある好適な実施形態において、前記ポンプ部は、陸上に設置されている。
本発明に係る蒸留方法は、太陽熱によって蒸留水を生成する蒸留方法であり、太陽熱を通過させる熱透過窓を固定するハウジングを、液体が貯留された貯留領域に浮かべる工程と、前記貯留領域の液体を、前記ハウジングの第１室に導入する工程と、前記透過窓を透過した太陽熱によって、前記ハウジングの第１室の液体を蒸発させる工程と、前記蒸発させた水蒸気を、前記ハウジングの第２室で凝縮させる工程とを含み、前記ハウジングの第１室の液体の水位は、水位調整機構によって所定の範囲に維持される。
ある好適な実施形態において、前記水位調整機構は、フロートバルブであり、前記フロートバルブによって、前記ハウジングの第１室に導入される前記液体の量が自動的に調整される。
ある好適な実施形態において、前記ハウジングの第１室の液体が蒸発した水蒸気は、前記水蒸気透過膜を通って、前記ハウジングの第２室に移動し、前記ハウジングの第２室の壁面にて凝縮する。
ある好適な実施形態において、前記貯留領域は、海、湖および池からなる群から選択された一つである。
ある好適な実施形態において、複数の前記ハウジングが前記貯留領域に浮かべられており、前記複数のハウジングのそれぞれは、前記蒸留水を吸引するポンプ部に、配管を通じて接続されており、前記ポンプ部によって、前記複数のハウジングから前記蒸留水が集められる。
本発明の蒸留装置では、太陽熱を通過させる熱透過窓を固定するハウジング内において、熱透過窓を通過した太陽熱を吸収する熱吸収体を備え、ハウジングにおける熱吸収体が配置された第１室の下方には取入口が設けられ、そして、熱吸収体を覆う液体の水位を調整する水位調整機構が設けられている。したがって、本発明の蒸留装置を、貯留領域（海、湖など）に浮かべておくと、蒸留水を生成するための液体（海水など）の補充を自動的に行いながら、蒸留水（淡水）を生成することができる。しかも、本発明の蒸留装置では、太陽熱を利用しているので、多段フラッシュ方式や逆浸透法と比較して、多量のエネルギーの投入が不要であり、また、設備コストを抑制することができるという効果を得ることができる。
従来の蒸留装置１０００の構成を示す図面である。 本発明の実施形態に係る蒸留装置１００の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸留装置１００の構成を模式的に示す斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る蒸留装置１００の水位調整機構（フロートバルブ）３０の動作を説明するための断面図である。 水位調整機構（フロートバルブ）３０におけるフロート３２を示す図である。 水蒸気透過膜４０の構成を模式的に示す斜視図である。 （ａ）は、水を蒸発させるための熱量を表し、（ｂ）は、日射量およびシステム効率とともに、１ｍ2で蒸発できる水量（ｃｃ／時間）を表し、そして、（ｃ）は、ｃａｌ（カロリ）と、Ｊ（ジュール）と、Ｗｈ（ワット時）の換算を示す図である。 本発明の実施形態に係る蒸留装置１００の改変例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る蒸留装置１００を含むポンプステーション２００の構成を模式的に示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事項は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書及び図面によって開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
図２は、本発明の実施形態に係る蒸留装置１００の構成を模式的に示す断面図である。また、図３は、本実施形態の蒸留装置１００の構成を模式的に示す斜視図である。
本実施形態の蒸留装置１００は、太陽７０からの太陽熱７２によって蒸留水を生成する装置である。蒸留装置１００は、太陽熱７２を通過させる熱透過窓１０と、熱透過窓１０を固定するハウジング２０とから構成されている。ハウジング２０内には、熱透過窓１０を通過した太陽熱（７２、７４）を吸収する熱吸収体２５が配置されている。
本実施形態のハウジング２０は、液体が貯留された貯留領域６０に浮かべられる。貯留領域６０は、例えば、海、湖、池などである。貯留領域６０が海である場合には、液体は海水であり、ハウジング２０内において海水の淡水化が行うことができる。また、貯留領域６０は、天然の貯留領域（海、湖）に限らず、ダムのような人工貯留領域であってもよし、例えば、工場に併設された汚染水を貯留する人工貯留領域であっても構わない。
本実施形態のハウジング２０は、熱吸収体２５が配置された第１室２１と、水蒸気透過膜４０を介して第１室２１に接続された第２室２２とを備えている。本実施形態の水蒸気透過膜４０は、第１室２１で発生した水蒸気６４を透過させて（矢印６５）、第２室２２に移動させる高分子フィルムであり、例えば、フッ素樹脂多孔質膜（典型的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））から構成されている。なお、水蒸気透過膜４０を構成する材料としては、多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜に限らず、例えば、ポリエチレン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、セラミック多孔質膜のようなものを用いることが可能である。
本実施形態の構成において、ハウジング２０の第１室２１の下方には、液体（例えば、海水）を取り入れる取入口５０が設けられている。そして、第１室２１には、熱吸収体２５を覆う液体６３の水位（Ｌ）を調整する水位調整機構３０が設けられている。
さらに説明すると、本実施形態の構成では、貯留領域（例えば、海）６０に浮かんでいるハウジング２０の取入口５０から、貯留領域６０の液体（例えば、海水）が導入される。本実施形態の構成では、取入口５０には、取入口５０に導入される液体を透過させるフィルタ３５が設けられており、液体（海水）は、矢印６１に示すように、フィルタ３５を通過して取入口５０に導入される。フィルタ３５は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン多孔質膜である。また、フィルタ３５は、フィルタ支持部材３８によって固定されており、具体的には、フィルタ３５は、フィルタ支持部材３８の取付部（開口部５２の周辺）に取り付けられている。
取入口５０から導入された液体は、矢印６２に示すように移動して、熱吸収体２５の表面を覆うように第１室２１の内部において保留される。そして、熱吸収体２５の表面を覆う液体６３は、熱透過窓１０を透過した太陽熱（太陽光）７４の熱エネルギーと、熱吸収体２５からの熱エネルギーとによって蒸発して水蒸気６４になる。ハウジング２０内の液体６３からの水蒸気６４は、水蒸気透過膜４０を通過し、第２室２２の壁面２３で凝縮され（水滴６７参照）、そして、矢印６８に示すように、重力によって下方に集められて、蒸留水６９となる。また、第２室２２の下方は、蒸留水６９の貯水部２４となっている。第２室２２の壁面２３の一部（例えば、下半分）は、周囲の液体（例えば、海水）６０で覆われているので、その液体６０による冷却効果を得ることができる。
さらに、ハウジング２０の第１室２１には、取入口５０から垂直方向に延びた導入開口部５４が形成されている。本実施形態の水位調整機構３０は、フロートバルブであり、このフロートバルブは、導入開口部５４に設置されている。フロートバルブは、給水タンクなどの液面を常に一定の水位に保つようにする自力調整弁である。
本実施形態のフロートバルブ３０は、第１室２１内の液面に位置するフロート３２と、導入開口部５４内に配置される連結バー３４と、連結バー３４の下端側に配置されたストップバルブ（３６、３７）とから構成されている。フロート３２は、空洞の球体で水に浮くものであり、下部に連結したストップバルブ（３６）を浮力で持ち上げることができる部材である。フロート３２の材質は、例えば、ステンレスまたはプラスチックである。連結バー３４は、フロート３２の下側に接続されている。連結バー３４は、例えば、ステンレスから構成されている。ストップバルブは、連結バー３４に接続された栓部材３６と、取入口５０の周辺（または、導入開口部５４の下端部分）に配置された閉塞部材３７とから構成されている。ストップバルブ（３６）は、例えば、黄銅またはプラスチックから構成されている。
また、本実施形態のハウジング２０は、熱吸収体２５が設置される第１部材２０ａと、導入開口部５４が形成された第２部材２０ｂと、第１室２１と第２室２２とを区分けする第３部材２０ｃとから構成されている。第１部材２０ａは、水平方向に延びる部位を有しており、その水平部位の上に熱吸収体２５が配置されている。第１部材２０ａは、第２部材２０ｂに接続されている。本実施形態の構成では、図３に示すように、第１部材２０ａと第２部材２０ｂとは、同一部材で連続して構成されており、第２部材２０ｂの部分に導入開口部５４が形成されており、そこに水位調整機構（フロートバルブ）３０が配置されている。なお、第１部材２０ａと第２部材２０ｂとを別部材のもので構築して、それらを組み合わせても構わない。なお、ここでの「水平」は、熱吸収体２５を設置する意味合いでの水平であるので、厳密な意味での水平に限らず、少しの傾斜があったり、あるいは、平面でなく凹凸があったりしても構わない。
ハウジング２０の第３部材２０ｃは、第１室２１の壁面の一部、および、第２室２２の壁面の一部となっている。本実施形態の構成では、第３部材２０ｃの一部に、水蒸気透過膜４０が配置されている。また、図示した例では、第３部材２０ｃと組み合わされて、第２室２２の空間を密閉にするための壁部材２３ａが設けられている。図示した例では、第３部材２０ｃと、壁部材２３ａとは別部材で構成して組み合わせているが、一体の構成にしても構わない。また、ハウジング２０の形状によっては、壁部材２３ａが存在しない形態にすることも可能であるし、第３部材２０ｃと第１部材２０ａとを一体の部材の構成で構築することも可能である。
また、本実施形態の構成では、ハウジング２０の第２室２２の一部には、第２室２２の内部と外部との圧力を調整する気体透過膜４２が設けられている。気体透過膜４２は、気体透過用の窓（圧力調整用の窓）８５に設けられている。この気体透過膜４２によって、水蒸気６６が充満する第２室２２の内部の圧力を調整することができる。気体透過膜４２は、フッ素樹脂多孔質膜（典型的には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））から構成されている。なお、気体透過膜４２を構成する材料としては、多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜に限らず、例えば、ポリエチレン多孔質膜、ポリプロピレン多孔質膜、セラミック多孔質膜のようなものを用いることが可能である。
ハウジング２０は、例えば、ステンレス、鉄、アルミニウム、ＦＲＰから構成されている。本実施形態の構成では、ハウジング２０はステンレスから構成されているが、ハウジング２０が貯留領域６０で浮かぶのであれば、それに限定されず、適宜好適な材料から構築することができる。ハウジング２０を海水に浮かべる場合には、海水に強いステンレスまたは樹脂のような材料を用いることが好ましい。
また、本実施形態の構成では、ハウジング２０の第１部材２０ａの下方領域には、外部に開放された開口部２８が形成されている。この開口部２８は、ハウジング２０が安定するような重し（バラスト）を設ける領域にすることができる。また、ハウジング２０の材質の重量が重い場合には、この開口部２８に、浮力を増す部材（すなわち、水よりも比重が軽い材料：例えば、空気を充填した部材、発泡スチロールなど）を配置することも可能である。重しまたは浮力を増す部材に断熱性材料（断熱材で被覆した重し、空気を充填した部材、発泡スチロールなど）を使うことで、外水との断熱機能を付与して、部材２５（熱吸収体）の蓄熱性を向上させることも可能である。また、貯留領域６０に浮かんでいるハウジング２０の移動を固定するには、ハウジング２０に錨つけて、その錨の重さで固定することができる。
本実施形態の熱透過窓１０は、透光性材料から構成されており、具体的には、ガラスまたは透光性樹脂から構成されている。熱透過窓１０がガラス板の場合、ガラスは、樹脂材料と比較して紫外線に強いので、太陽に対する耐久性に優れるという利点がある。一方、熱透過窓１０が樹脂材料（例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ））から構成されている場合、樹脂製の熱透過窓１０は、ガラス板のものと比較して割れにくいという特性がある。
図２に示した構成では、熱透過窓１０は、板状部材を保持する保持部材８２で保持されている。保持部材８２は、例えば、ゴム材料から構成されている。そして、保持部材８２は、保持部材８２をハウジング２０に固定する固定部材８３によって、第２部材２０ｂの一部および壁部材２３ａの一部に固定されている。加えて、本実施形態の構成では、熱透過窓１０は、太陽７０の光（太陽熱７２）を効率良く取りこむために、斜めに傾斜して配置されている。熱透過窓１０が南に向くようにし、太陽７０の方に向くように斜めに配置することが好ましい。また、太陽７０の方向に向くようにハウジング２０の一部にスクリューを設けて、ハウジング２０を回転させるような構成にすることも可能である。なお、太陽７０の向きに影響されずに、熱透過窓１０に太陽熱７２を取りこみたい場合には、熱透過窓１０を平行に配置するようにしても構わない。
熱透過窓１０を透過した太陽熱７４を吸収する熱吸収体２５は、例えば、蓄熱材料からなる部材、金属部材（鉄板、ステンレス板など）である。蓄熱材料から構成された熱吸収体２５の場合、太陽７０が沈んだ後においても、熱吸収体２５を構成する蓄熱材料から、長時間にわたって熱エネルギーを取り出すことができ、それによって液体６３の蒸発を行わせることができるという利点がある。また、コスト的なメリットとしては、熱吸収体２５として、安価な鉄板を使用することが好ましい。
熱吸収体２５を構成する蓄熱材料としては、水、石、砂利、コンクリート、レンガ、ガラス粉末、土、鉄粉などの顕熱蓄熱材を挙げることができる。これらの材料を所定の容器に入れて、本実施形態の熱吸収体２５として使用することができる。ここで、水（海水または淡水）を蓄熱材料とする場合、熱吸収体２５の外殻となる容器（例えば、金属容器（ステンレス容器など）または樹脂容器）をハウジング２０の中に用意しておき（具体的には、第１部材２０ａの上に配置しておき）、そこに、貯留領域６０の液体を導入することで、蓄熱材料からなる熱吸収体２５を構築することができ、便利である。すなわち、熱吸収体２５を構成する蓄熱材料をその場で調達することができ、コスト的なメリットも得られる。
熱吸収体２５を構成する蓄熱材料としては、顕熱蓄熱材だけでなく、Ｚｎ（ＮＯ3）2・２Ｈ2Ｏ、ＣａＯ（ＮＯ3）2・４Ｈ2Ｏ、ＮａＨＰＯ4・１２Ｈ2Ｏなどの潜熱蓄熱材を用いることができる。また、硫化ナトリウム、塩化マグネシウムなどの反応熱を利用する反応熱蓄熱材を用いることも可能であるし、さらに、パラフィン系の蓄熱材を用いることもできる。
加えて、熱吸収体２５の表面（または、熱吸収体２５の外殻を構成する容器の表面）は黒色（またはそれに類する色）にして、太陽熱７４の吸収を高めるようにすることが好ましい。熱吸収体２５が金属板（例えば、鉄板）である場合、その金属板を黒色にすることも好適である。
熱吸収体２５は、ハウジング２０の第１部材２０ａの一部に凹部を形成し、その凹部に配置することができる。第１部材２０ａの凹部を形成した場合、ハウジング２０が揺れたとしても、熱吸収体２５が凹部に収まっているので、熱吸収体２５の移動ズレが生じることを抑制することができる。また、熱吸収体２５は、比較的重量があるので、平坦な第１部材２０ａの上に配置して、熱吸収体２５を載置してもよい。さらに、熱吸収体２５を第１部材２０ａの上に固定手段（溶接、締結部材、接着など）を用いて固定することも可能である。
本実施形態のハウジング２０には、第２室２２の下方に位置する貯水部２４の部分に、蒸留水取出し口２６が設けられている。この蒸留水取出し口２６にポンプをセットして、貯水部２４に貯まっている蒸留水６９を吸い出すことができる。また、第１室２１（第１部材２０ａの上部）における液体６３の貯留部の一部に、液体６３の排水口２７が形成されている。この排水口２７から貯留部の液体６３を排水することができる。排水口２７は、第１室２１の貯留部のうちの低い位置に設けておくことが好ましい。なお、排水口２７を、貯留部に堆積した異物（例えば、塩、砂、ゴミなど）を排除する出口として使用してもよい。
次に、図４（ａ）及び（ｂ）も参照しながら、本実施形態の蒸留装置１００の動作について説明する。
図２に示した構成において、太陽熱７４及び／又は熱吸収体２５からの熱エネルギーによって、液体（例えば、海水）６３の蒸発６４が発生する。熱吸収体２５の上に位置する液体６３の水位（深さ）Ｌが大きくなると、液体６３の蒸発を促進させることが困難になる。特に、熱吸収体２５からの熱エネルギーで液体６３の蒸発を行う場合、液体６３の水位（Ｌ）が大きいと、液体６３の加熱が悪くなり、液体６３の蒸発の効率が低下してしまう。一方で、液体６３の水位（深さ）Ｌが極端に小さくなると、太陽熱７４及び／又は熱吸収体２５からの熱エネルギーによって液体６３の蒸発が進むと、熱吸収体２５の上面が乾くため、蒸発効率が著しく低下してしまう。
したがって、液体６３の水位Ｌ（液面レベル）を調整することが、蒸発効率を向上させる上で重要になる。本実施形態の構成では、水位調整機構３０によって簡便に（自動的に）液体６３の水位Ｌを調整することができる。
図４（ａ）に示すように、第１室２１における液体６３の蒸発が進み、液体６３の水位Ｌが低くなると、それに伴って、液体６３の液面に浮かぶフロート３２の位置も下がる。すると、連結バー３４を介してフロート３２に接続されたストップバルブ（３６、３７）が開くので、矢印６２に示すように液体が補充され、液体６３の水位Ｌは上昇していく。具体的には、連結バー３４の下端に接続された栓部材（ボール部材）３６が下方に移動して、閉塞部材３７との間に隙間が生じることにより、そこから液体が流入して、液体６３の水位Ｌを上げる。
次に、図４（ｂ）に示すように、液体６３の水位Ｌが上がると、それに伴って、液体６３の液面に浮かぶフロート３２の位置も上がる。すると、連結バー３４を介してフロート３２に接続されたストップバルブ（３６、３７）が閉まるので、液体の流入は停止する。すなわち、液体６３の水位Ｌの上昇は止まる。具体的には、連結バー３４の下端に接続された栓部材（ボール部材）３６が上方に移動して、閉塞部材３７との間の隙間が閉じられて、そこからの液体の流入が停止することになる。
また再び、第１室２１における液体６３の蒸発が進み、液体６３の水位Ｌが低くなると、図４（ａ）に示すように、ストップバルブ（３６、３７）が開いて、液体の流入が始まり、その結果、液体６３の水位Ｌは上昇していく。このようにして、水位調整機構３０におけるストップバルブ（３６、３７）の開閉によって、液体６３の水位Ｌは、所定の範囲（例えば、０．１ｍｍ〜１０ｍｍ）に維持することができる。
図２及び図４では、楕円形または長円形のフロート３２を示したが、それに限らず、例えば図５に示すような円形のフロート３２を用いることも可能である。図５に示したフロート３２では、球形のボール部３２ａの下部に接続バー３２ｂが接続されている。そして、その接続バー３２ｂは、連結バー３４を固定するための固定部材３２ｃに接続されている。
図６は、本実施形態に係る水蒸気透過膜４０の構成の一例を模式的に示している。本実施形態の水蒸気透過膜４０は、多孔質のポリテトラフルオロエチレンのフィルム４１から構成されている。多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルム４１の一例としては、テミッシュ（商品名；日東電工株式会社製）を挙げることができる。
図６に示した多孔質ポリテトラフルオロエチレンのフィルム４１には、フィルム４１の一面４１ａから他面４１ｂに通じる微細孔４１ｃ（例えば、孔径０．１μｍ〜１０μｍ程度）が形成されている。このフィルム（多孔質膜）４１は、水滴４５（例えば、寸法１００μｍ〜３０００μｍ）の透過を遮断する一方で、水蒸気４７（例えば、直径０．０００４μｍ）を通過させる機能を有している（矢印４７ａから４７ｂ）。したがって、水蒸気透過膜４０を用いることにより、水蒸気４７を選択的に透過させることができるので、その水蒸気４７を凝縮することにより、きれいな水（蒸留水）を生成することができる。
また、この液体を保持して気体を通過させることができる機能を活用して、内部と外部との圧力を調整する気体透過膜４２に対しても、図６に示したような多孔質フィルム４１を使用することができる。さらに説明すると、第２室２２の内部を密封した場合には内圧変動によって破損が生じる可能性がある一方で、第２室２２に貫通孔を形成して内圧を調整する場合には浸水や内部汚染の問題が生じる。本実施形態のように、多孔質フィルム４１から構成された気体透過膜４２を用いた場合、通気性を保ちながら、防塵・防水機能を持たせながら、内部と外部との圧力を調整することができる。なお、水蒸気透過膜４０および気体透過膜４２は、同じ材料のものを使用してもよいし、異なる材料のものを使用してもよい。
次に、図７（ａ）から（ｃ）を参照しながら、蒸発量および適正な液面レベル（水位Ｌ）の概算について説明する。図７（ａ）は、水を蒸発させるための熱量を表している。図７（ｂ）は、日射量およびシステム効率とともに、１ｍ2で蒸発できる水量（ｃｃ／時間）を表している。また、図７（ｃ）は、ｃａｌ（カロリ）と、Ｊ（ジュール）と、Ｗｈ（ワット時）の換算を示している。
ここで、水１ｃｃを２０℃→１００℃にし、そして、そこから蒸発させるのに、０．００２６ＭＪが必要である。福岡の２０１０年７月１日１２時の１時間の日射量データを調べると、３．０９ＭＪ（データＡ）であり、システム効率を５０％（データＢ）とすると、有効熱量（Ａ×Ｂ）は１．５５ＭＪになる。それらを考慮すると、１ｍ2で蒸発できる水量（ｃｃ／時間）は、５９６ｃｃ／ｈになる。すなわち、福岡のこの日の時間帯では、１ｍ2当たり５９６ｃｃの水を蒸発させることができる。言い換えると、液面を乾かすことなく蒸発させるためには、０．５９６ｍｍの水位レベル（Ｌ）を保つことが好ましい。
なお、上述した条件および水位レベル（Ｌ）はあくまで一例であり、日照量は地域によって異なるものである。場所によって好適な水位レベル（Ｌ）は異なるが、本実施形態の蒸留装置１００では、連結バー３４の長さ（より具体的には、フロート３２とボール部材３６との間の距離）を調整することにより、その地域に適した変更を簡単に実行することができる。
本実施形態の蒸留装置１００の構造的な条件を例示的に説明すると、次の通りである。熱透過窓１０の寸法は、例えば、幅７００ｍｍ〜２０００ｍｍ、長さ７００ｍｍ〜４０００ｍｍ、厚さ４ｍｍ〜１０ｍｍである。ハウジング２０の寸法は、例えば、幅９００ｍｍ〜２５００ｍｍ、長さ１４００ｍｍ〜６０００ｍｍ、高さ８００ｍｍ〜１５００ｍｍである。第１室２１の体積は、例えば、０．１５ｍ3〜５ｍ3であり、第２室２２の体積は０．１５ｍ3〜４ｍ3である。なお、大型のハウジング２０を用いて大量の蒸留水６９を生成させることもできるし、小型のハウジング２０を用いて一人が飲む分の蒸留水６９を生成することも可能である。
本実施形態の蒸留装置１００では、海、池や汚染水を貯めたところに浮かべることで、太陽熱７２で海水または汚染水（湖の水など）を蒸発させることができる。そして、周囲の水によって蒸留装置１００（または、ハウジング２０）の全体を冷却されることで水蒸気６６を凝縮し、それによって、飲料にも適する水（蒸留水）を得ることができる。
すなわち、本実施形態の蒸留装置１００では、太陽熱７２を通過させる熱透過窓１０を固定するハウジング２０内において、熱透過窓１０を通過した太陽熱７４を吸収する熱吸収体２５を備えている。ハウジング２０における熱吸収体２５が配置された第１室２１の下方には、原水（例えば、海からの海水）を取り入れる取入口５０が設けられ、そして、熱吸収体２５を覆う液体６３の水位Ｌを調整する水位調整機構３０が設けられている。したがって、本実施形態の蒸留装置１００を、貯留領域（海、湖など）６０に浮かべておくと、蒸留水６９を生成するための液体（海水など）の補充を、水位調整機構３０の動作によって自動的に行いながら、蒸留水（淡水）６９を生成することができる。しかも、本実施形態の蒸留装置１００では、太陽熱（７２、７４）を利用しているので、多段フラッシュ方式や逆浸透法と比較して、多量のエネルギーの投入が不要であり、また、設備コストを抑制することができるという効果を得ることができる。
また、ハウジング２０における第１室２１と第２室２２との間は、水蒸気透過膜４０を利用して接続されているので、海の波などで蒸留装置１００が揺れた時に、第２室２２における凝縮した水６７が第１室２１に戻らないようにすることができる。
上述の本実施形態では、水位調整機構３０として、フロートバルブ（３２、３４、３６、３７）の構成のものを使用したが、簡便に、液体６３の水位Ｌを調整することができるものであれば他のものを採用することも可能である。水位調整機構３０として、例えば、電子的に水位を感知してバルブを開閉する調整機構のものを用いることができる。
以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は、さらに別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えうるものである。例えば、取入口５０を複数（例えば、２つ）用意して、その取入口５０に通じる導入開口部５４のそれぞれにフロートバルブ３０を設置するような構成を採用することも可能である。また、上記実施形態では、ハウジング２０において第１室２１と第２室２２とを含むようにしたが、それに加えて、更なる部屋を設けた構成にしても構わない。
また、図８に示すように、第２室２２に配管２９の一端を取り付けるとともに、配管２９の他端をポンプ（不図示）に取り付けて、第２室２２における貯水部２４に貯まっている蒸留水６９を吸い出すことができる。この配管２９は、例えば、ゴム、樹脂などの材料からなるものの他、金属製のものを使用することも可能である。
さらには、図９に示すように、複数の蒸留装置１００（ハウジング２０）を貯水池に浮かべて、各蒸留装置１００に配管２９を接続し、その配管２９をポンプ部９０に接続したポンプステーション（蒸留装置ステーション）２００を構築することが可能である。ここで、ポンプステーション２００のポンプ部９０は、貯水池に浮かべていてもよいが、陸上（陸地）に配置することが可能である。ポンプ部９０を陸上に配置しておけば、複数の蒸留装置１００からの蒸留水を取り出すことが容易である。また、複数の蒸留装置１００からの蒸留水を取り出せることにより、蒸留水の生成量を向上させることができ、実用面での利点が増す。
本発明によると、液体の補充を自動的に行うことができるとともに、多量のエネルギーの投入が不要であり、設備コストを抑制することができる蒸留装置を提供することができる。
１０ 熱透過窓
２０ ハウジング
２１ 第１室
２２ 第２室
２３ 壁面
２３ａ 壁部材
２４ 貯水部
２５ 熱吸収体
２６ 蒸留水取出し口
２７ 排水口
２８ 開口部
２９ 配管
３０ 水位調整機構（フロートバルブ）
３２ フロート
３２ａ ボール部
３２ｂ 接続バー
３２ｃ 固定部材
３４ 連結バー
３５ フィルタ
３６ 栓部材（ボール部材）
３７ 閉塞部材
３８ フィルタ支持部材
４０ 水蒸気透過膜
４２ 気体透過膜
５０ 取入口
５２ 開口部
５４ 導入開口部
６０ 貯留領域
６４ 水蒸気
６６ 水蒸気
６７ 水滴
６９ 蒸留水
７０ 太陽
７２、７４ 太陽熱
８２ 保持部材
８３ 固定部材
９０ ポンプ部
１００ 蒸留装置
２００ ポンプステーション（蒸留装置ステーション）
１０００ 蒸留装置

Claims (22)

  1. 太陽熱によって蒸留水を生成する蒸留装置であって、
    太陽熱を通過させる熱透過窓と、
    前記熱透過窓を固定するハウジングと、
    前記ハウジング内に配置され、前記熱透過窓を通過した太陽熱を吸収する熱吸収体と
    を備え、
    前記ハウジングは、
    前記熱吸収体が配置された第１室と、
    前記第１室で発生した水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を介して前記第１室に接続された第２室と
    を備えており、
    前記第１室の下方には、液体を取り入れる取入口が設けられており、
    前記第１室には、前記熱吸収体を覆う液体の水位を調整する水位調整機構が設けられている、蒸留装置。
  2. 前記ハウジングは、液体が貯留された貯留領域に浮かべられ、
    前記取入口から前記貯留領域の液体が導入され、
    前記取入口から導入された液体は、前記熱吸収体の表面を覆うように前記第１室の内部において保留され、
    前記熱吸収体の表面を覆う液体からの水蒸気は、前記水蒸気透過膜を通過し、前記第２室の壁面で凝縮されることによって蒸留水となる、請求項１に記載の蒸留装置。
  3. 前記第１室には、前記取入口から垂直方向に延びた導入開口部が形成されており、
    前記水位調整機構は、フロートバルブであり、
    前記フロートバルブは、
    前記第１室内の液面に位置するフロートと、
    前記フロートに接続され、前記導入開口部内に配置される連結バーと、
    前記連結バーの下端側に配置されたストップバルブと
    から構成されている、請求項１または２に記載の蒸留装置。
  4. 前記ハウジングは、
    前記熱吸収体が設置される第１部材と、
    前記第１部材に接続され、前記導入開口部が形成された第２部材と、
    前記第１室と前記第２室とを区分けする第３部材と
    から構成されている、請求項３に記載の蒸留装置。
  5. 前記第３部材の一部に、前記水蒸気透過膜が配置されている、請求項４に記載の蒸留装置。
  6. 前記水蒸気透過膜は、多孔質のポリテトラフルオロエチレン膜から構成されている、請求項５に記載の蒸留装置。
  7. 前記ハウジングの第１部材の下方領域には、外部に開放された開口部が形成されている、請求項４から６の何れか１つに記載の蒸留装置。
  8. 前記取入口には、前記取入口に導入される液体を透過させるフィルタが設けられている、請求項１から７の何れか１つに記載の蒸留装置。
  9. 前記第２室の一部には、前記第２室の内部と外部との圧力を調整する気体透過膜が設けられている、請求項１から８の何れか１つに記載の蒸留装置。
  10. 前記熱吸収体は、鉄板から構成されている、請求項１から９の何れか１つに記載の蒸留装置。
  11. 前記熱吸収体は、蓄熱材料から構成されている、請求項１から９の何れか１つに記載の蒸留装置。
  12. 前記熱吸収体の表面は、黒色である、請求項１から１１の何れか１つに記載の蒸留装置。
  13. 前記熱透過窓は、ガラスまたは透光性樹脂から構成されている、請求項１から１２の何れか１つに記載の蒸留装置。
  14. 前記蒸留装置には、前記蒸留水を外部に排出する配管が接続されている、請求項１から１３の何れか１つに記載の蒸留装置。
  15. 前記配管は、前記配管内の前記蒸留水を流動させるポンプ部に接続されている、請求項１４に記載の蒸留装置。
  16. 前記ポンプ部には、前記配管を介して、複数の前記蒸留装置に接続されている、請求項１５に記載の蒸留装置。
  17. 前記ポンプ部は、陸上に設置されている、請求項１５または１６に記載の蒸留装置。
  18. 太陽熱によって蒸留水を生成する蒸留方法であって、
    太陽熱を通過させる熱透過窓を固定するハウジングを、液体が貯留された貯留領域に浮かべる工程と、
    前記貯留領域の液体を、前記ハウジングの第１室に導入する工程と、
    前記透過窓を透過した太陽熱によって、前記ハウジングの第１室の液体を蒸発させる工程と、
    前記蒸発させた水蒸気を、前記ハウジングの第２室で凝縮させる工程と
    を含み、
    前記ハウジングの第１室の液体の水位は、水位調整機構によって所定の範囲に維持される、蒸留方法。
  19. 前記水位調整機構は、フロートバルブであり、
    前記フロートバルブによって、前記ハウジングの第１室に導入される前記液体の量が自動的に調整される、請求項１８に記載の蒸留方法。
  20. 前記ハウジングの第１室の液体が蒸発した水蒸気は、前記水蒸気透過膜を通って、前記ハウジングの第２室に移動し、
    前記ハウジングの第２室の壁面にて凝縮する、請求項１８または１９に記載の蒸留方法。
  21. 前記貯留領域は、海、湖および池からなる群から選択された一つである、請求項１８から２０の何れか１つに記載の蒸留方法。
  22. 複数の前記ハウジングが前記貯留領域に浮かべられており、
    前記複数のハウジングのそれぞれは、前記蒸留水を吸引するポンプ部に、配管を通じて接続されており、
    前記ポンプ部によって、前記複数のハウジングから前記蒸留水が集められる、請求項１８から２１の何れか一つに記載の蒸留方法。
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