JP2015518412A - 浄水の方法および装置 - Google Patents

Abstract

投入液体から精製液体を生成するための装置は、投入液体が満たされる蒸発チャンバ、およびチャネルを有する凝縮チャンバを備え、チャネルは投入液体中に配置され、蒸発チャンバ内では液体飽和ガスが投入液体から生成され、液体飽和ガスがチャネルの第一の端部内に誘導され、精製された液体がチャネルの他端で出力される。

Description

本願は、２０１２年１月１１日に仮出願された「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（出願番号第６１／５８５，２９３）および２０１２年１１月１６日に仮出願された「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓｅｓ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ」（出願番号第６１／７２７，６６１）を基礎とするものである。出願の内容は、その全体が本願中に参照として組み込まれている。

本発明は、浄水の方法および装置に関する。より詳しくは、加湿−除湿（ＨＤＨ）を用いた浄水の方法および装置に関する。

飲料水の欠如は、世界の多くの地域で、未だに病気や貧困，死亡の主な原因である。水道インフラが整備された、水が利用可能な地域であっても、多くの場合、それらの水は、農業などで使用される化学物質、工場等から排出される汚染物質、水道水への下水の浸透によって汚染されている。また、海に近接したエリアでは、塩分を高く含んでおり、飲用水として適していない。

配水管内での圧力は、水が本来あるべき方向に流れるよう、圧力が維持されているわけではないので、世界の多くの地域では安全ではない。配水管からの水の漏れは、水の汚染を引き起こす可能性がある。更に、水が処理された後に貯蔵される複数の貯蔵タンクは、常に適切な監督および衛生状態が保たれてるとは限らない。特に、貯蔵タンクは規則的に清潔に保たれていないため、汚染源となったり、昆虫、動物、細菌の増殖および藻類の成長の温床となっている。

ボトル入り飲料水は、大都市で普及してきた。一方で、農村部では、ポトル入り飲料水の利用は難しく、かつ需要も少ない。なぜなら、そういった地域ではポトル入り飲料水自体の輸送が困難、かつプラスチックの利用が廃棄やリサイクルの問題を伴うためである。

既存の水の供給業者とそのようなジレンマを解決するために、水源を浄化する過システムに関して多大な 努力がなされてきた。既存のろ過技術は、システムを最適な状態に維持するために、複数のろ過ステージを持つ、継続的に交換可能な消耗品の使用を必要とする。これらの消耗品が怠慢または在庫不足により交換されていないと、ろ過システムより出力される水（ここでは、以後生成水と呼ぶ）の品質は悪く、多くの場合、システム内部における汚染によりろ過システムに入力される前の水の品質よりも悪くなることが知られている。

浄水技術には二つの一般的なカテゴリがある：ひとつは、蒸発および凝縮、または熱蒸留の原理に基づくもので、他方は膜ろ過に基づいたものである。膜ろ過技術の中で、より大容量のプラント用にはｖａｃｕｕｍ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓが、より小さな容量のプラントには、ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ（ＨＤＨ）が利用可能である。

近年のＲＯ技術の急速な進歩による、その低い初期資本コストと高いエネルギー効率により、ＲＯはすべての水の浄化技術として人気を集めてきた。海水淡水化のためのＲＯ（エネルギー回収を使用する場合）のエネルギーコストは、精製水の４〜７ｋＷｈ／ｔｏｎである一方、ＭＳＦ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｔａｇｅ ｆｌａｓｈ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）およびＭＥＤ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ）のエネルギーコストは２０〜２００ｋＷｈ／ｔｏｎである。この点において、ＨＤＨシステムは更に悪く、１５０〜４００ｋＷｈ／ｔｏｎ以上のエネルギーコストを持つ。この比較における、唯一の例外は、ＭＶＣ（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）で、ＲＯに匹敵する高いエネルギー効率を持ち、４〜１２ｋＷｈ／ｔｏｎの効率を持つ。

しかし、熱蒸留は、一般的に、ＴＤＳ（総固体溶解）よくは１ｐｐｍ（百万分の一の部分）の下のレベルで高度に精製された水を生成する。ＲＯはまた、それらのサイズがＲＯ膜の平均細孔径と同等である場合には、軽量溶解化学分子を除外することができない。ＲＯはまた、はるかに受けやすい、汚染スケーリング、および膜の目詰まりにあり、それが直接大気に曝されると急速な酸化が容易に膜を破壊することができる。すべての浄水技術が汚損の可能性を低減するために、メイン精製プロセスの適切な動作を保証するために、前処理または事前フィルタリングを必要とする一方で、ＲＯは、典型的には、障害からその膜を保護するために、より多くの前処理を必要とし、ＲＯ膜の標準的な半減期したがってその消耗品のコストは総運用コストの大部分を表して、約２年である。

ＲＯの低い初期コストの優位性は、主に体積比への例外的な充填密度、またはエリアに位置しています。熱蒸留、したがって密度は精製の両方のクラスにおいて非常に重要な役割を果たしているパッキン、ＲＯ及び他の膜技術は、塩水からきれいな水を分離するために大規模な濾過表面に依存して、エネルギーコストを下げるために潜熱を回収するために熱交換面に依存しながらテクノロジーである。大きな表面積は、単位面積当たりの精製水生成速度である表面負荷率を減らすことができ、水の産生を増加させるができるだけでなく有する。表面負荷を小さくすると、大幅にそれが大幅にＲＯシステムや熱蒸留植物の両方における内部エントロピー生産が減少するので、水の生産速度を低下させるのコストで運用効率を向上させることができまる。ＭＶＣ熱蒸留技術は、主に特定のエネルギーコストの点で、ＲＯに追いついた。

その初期資本コストはまだはるかに低い充填密度による同等のＲＯ技術よりもはるかに高い。ＨＤＨシステムは、ＲＯよりもコストが一般的に低く、その低い温度、大気圧動作を、ＲＯよりも純粋な水を生産する可能性を秘めている。しかし、これらのシステムの非常に低い比エネルギー効率は、それらの広く受け入れへの主な障害となっている。

別の欠点は、既存の蒸留技術は、これらの技術は一般的に高価なステンレス鋼や他の高価な金属を使用して構築されている飽和したガスを再凝縮する前に、これらの技術以来水を蒸気に変換するために大量のエネルギーを使用するので、実装があまりにも高価であるということである。

一つは、格納容器と熱交換壁用高強度材料を使用するための要件である。ＨＤＨは、部分的に高強度材料を利用し、プラスチック基板などのより安価でより薄い材料でそれらを交換する必要がなくなり、大気圧蒸着（加湿）との縮合（除湿）を使用して問題を解決する。

既存の蒸留技術の別の欠点は、熱交換表面の体積比が比較的低い充填密度、または表面である。一例として、螺旋巻きフィルタおよび中空管のROフィルタは、より高い数桁と同じ容量のために構築されるより小さなろ過植物を許可密度を梱包している。蒸留プラントの場合にはより高い充填密度も同じ水の生産能力を維持しながら、大幅に潜熱回収効率を向上させ、同じ水の生産能力のための熱交換表面上の低い負荷を意味するかもしれない。

さらに、既存の蒸留技術のいくつかのための別の欠点は、2相の熱交換に直接2相の欠如である。直接潜熱交換を持つために、蒸発器と熱交換表面の凝縮器側の両方が同じ壁に属している必要があります。また、一般的な熱交換壁の両側が両側複合フローの液相成分と気相成分を有する必要があることを意味し、2相流を、含んでいなければならない。

図1は、HDHを用いて水の浄化のための先行技術の方法および装置の図を示す。従来技術では、落下に対する噴霧器18送風機を経由して、蒸発室12の上部に、下方向に20の打撃を噴霧される蒸発室12と凝縮室14給水16の間の垂直の熱交換壁10を含み、蒸発チャンバ12の底部から給水のミスト28も濃縮塩水24、蒸発しなかった供給水の残りを記憶するための蒸発室12の底部に塩水トレイ22がある。塩水トレイ22内の塩水24が蒸発室12の垂直熱交換壁10のブライン出口26を介して除去することができるが、一般用の蒸発室12（参照に点線の矢印が流れ凝縮室14から潜熱を可能にする方向）。供給水16が蒸発するの一部として、飽和ガスは、凝縮室14は、次いで、飽和気体を凝縮し、生成水30を生成する凝縮室に向けられている水30を介して凝縮室からプールし、対象とする製品貯蔵または使用のための出口34。非凝縮性ガスは、オープンループ処理中に凝縮室14の下の方に空気出口32を介して凝縮室14の外に向けられている。潜熱交換プロセスは完全に再利用のために潜熱を回収しないため、ヒータ36の形態の追加の熱源を凝縮室14内にさらに水蒸気を導入し、給水を予熱する必要がある。

熱交換壁として機能する共通の壁10によってのみ分離された蒸発室14、と並んで凝縮室12側に配置することにより、水蒸気の凝縮から発生した潜熱加熱するために蒸発器に移されるHDH蒸留プロセスの主要な欠点の一つを排除する。

残念ながら、従来技術の設計には、いくつかの非効率性は明らかである。潜熱伝達の大部分が非効率的に蒸発室12内の他のガスと凝縮室14内のガスから転送されているので、まず、垂直熱交換壁10が完全に利用されていない。これは、熱交換壁の垂直配置に起因する10と、蒸発室12内に下向きに給水16のミストによるものである。

ヌセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）による最初の研究、つまり、縦型熱交換壁の配置、膜状の凝縮では、一般的には、熱交換される液膜凝縮物の外部境界で解放潜熱など、より効率的な縮合機構であると認識されているガスを経由せずに表面に直接転送される。しかし、これが発生するためには、熱交換面が強い親和性を持っている必要があり、液体、すなわち、表面は強い親水性でなければならないと述べている。これは、プラスチック製の熱交換面を有する従来技術の場合ではない。液体へのプラスチック製熱交換面の低親和性（濡れ性）が膜状または滴下結露を形成するために、蒸発器側の蒸発を膜状に形成するために、凝縮器側に凝縮する液体が難しくなる。これは劇的に熱伝達効率を低下させ、回収することができる潜熱の割合を低下させる。

下部潜熱熱交換性能は、内部エントロピー生成を増加させる。明らかに、以下のように、内部エントロピー生成の増加は、システム全体の効率を低下させるおよび/または水の生産速度を低下させる。機械的仕事をシステムに追加のエントロピーの流れを導入しないので、一般的なケースで直接熱入力よりも好ましい。ただし、入力熱が廃熱又は他の低コストの熱源から誘導されたとき、それはエネルギーの後者のより効率的な利用にもかかわらず、入力の代わりに、機械的仕事入力として、これらの熱源を用いることがより好ましいかもしれない。

また、開ループプロセスはまだ再利用されるの空気出口32を介してルーティングされる非凝縮性ガス内に留まる顕熱を再利用しない。蒸発チャンバの底部に非凝縮性ガスを再ルーティングする廃熱の一部を回収することができるが、このようなプロセスは、非凝縮ガスと給水との間に大きな温度差により本質的に非効率である。蒸発室12は、従来技術の設計の体積比に比較的低い表面による生成水の任意のかなりの量を生成するために大容量を必要とする。

上述の従来技術のもう一つの主な欠点は、蒸発に必要な熱入力を提供するために、高温の蒸気噴射のその使用である。より詳細に以下に多大に説明するように、高温流体注入またはシステムの直接の加熱により直接的な熱入力は有限系内の合計エントロピーを維持するために排出されなければならないシステムにエントロピーの連続的な流れを導く。このようなエントロピー吐出システム全体の効率および/または生産速度を低下させる増大したエネルギー消費につながる。

したがって、新規な方法、上記の欠点を全て解決し、ろ過するシステム及び装置の提供が望まれる。

本発明の目的は、費用効率が高いやり方で、効率的な直接潜熱伝達が可能なＨＤＨを用いた装置およびシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、複数の蒸発チャンバと凝縮チャンバを備え、広い全体的な潜熱交換面を提供し、前記交換面の負荷率を低くして、高い水生産率でも高性能な潜熱再捕獲を実現する浄水装置を提供することである。

本発明のまた別の目的は、液滴凝縮と浸透（パーコレート）フラッディング式の蒸発チャンバを利用して、潜熱交換の高効率を実現するろ過装置を提供することである。

本発明のまた別の目的は、毛管力を空気力学的効率が高いスクリーン内に適用して、取り込まれた液滴がコンプレッサチャンバに入ることを防止し、ミスト保持スクリーンがガス流に与える牽引力によるミスト保持スクリーンの圧力低下を低減した、ろ過システムを提供することである。

本発明のまた別の目的は、蒸発チャンバと凝縮チャンバをひとつの繊維に組み合わせ、充填密度（活性表面積対体積比）の点で、渦巻き型、半透性の繊維膜をもつ逆浸透圧ろ過システム等の他のろ過システムに匹敵する、不浸透性の空洞ファイバの熱交換マトリックスをもつシステムを提供することである。

本発明のまた別の目的は、蒸発チャンバのブライン濃度を既定のレベルに制御するための、優れた塩水堆積手段を備える装置を提供することである。

本発明のまた別の目的は、浮遊している汚染粒子および液滴を投入ガス流から除去するための、凝縮できないキャリアガスを凝縮チャンバに再循環する電気式ガスろ過機能を備えたろ過システムを提供することである。

本発明のまた別の目的は、内部エントロピー生成率を予測、推測することを目的としたセンサやアクチュエータを分散配置し、そのようなリアルタイムのセンサ入力に基づいてシステムを最適化するセルフモニタリング機能を備えたろ過システムを提供することである。

本発明のまた別の目的は、運転費用を抑えるために、エネルギー源をさまざまに切り替えることができるろ過システムを提供することである。

本発明のまた別の目的は、異方性バルク熱伝導率が良好で、機械的強度に優れたポリマー熱交換基板を備え、前記基板が優れた潜熱伝達特性を有するろ過システムを提供することである。

本発明のその他の目的は、本願の残りの部分および対応する図を参照することによって、当事者には明らかになるであろう。

本発明は、投入液体から精製液体を生成するための装置であって、投入液体が満たされる蒸発チャンバと、投入液体中に配置されたチャネルを有する凝縮チャンバを備え、液体飽和ガスが蒸発チャンバ内の投入液体から生成され、液体飽和ガスはチャネルの第一の端に誘導され、精製された液体はチャネルの第二の端に出力されることを特徴とする装置を簡単に説明する。

本発明の利点は、浄水のための低コストな方法および装置が提供されることである。

本発明の別の利点は、浄水のための低エネルギーな方法と装置が提供されることである。

本発明のまた別の利点は、浄水のためのエネルギー効率が高い方法と装置が提供されることである。

本発明のまた別の利点は、生産された水は安定して高い水質であることである。

本発明のさらに別の利点は、本システムではシステム稼動状態のセルフモニタリングができ、最適な効率を実現するために自動的にチューニングを行えることである。

本発明のさらに別の利点は、複数のエネルギー源が使用でき、リアルタイムで最適な稼動状態を実現するためにエネルギー源を切り替えることができる点である。

本発明に関する前述の説明およびその他の目的、局面、利点は、以下の、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明および付随する図を参照することで、より理解できる。

HDHを用いた従来の浄水方法および浄水装置の図である。

本発明にかかる、固定境界を有する熱力学系の図である。

蒸発チャンバを備える、浄水のための本発明の図である。

追加的な補助蒸気ジェネレータを有する、浄水のための本発明の他の実施形態の図である。

蒸発チャンバと凝縮チャンバのための複数のチャネルを備える、浄水のための本発明の図である。

蒸発チャンバと凝縮チャンバのための複数のパネルを備える、本発明の浄水装置の図である。

遠位マニホールドを備えた、本発明の浄水装置の図である。

近位マニホールドを備えた、本発明の浄水装置の図である。

本発明の浄水装置の透視図である。

パネルの偶数番のチャネルに数個の孔が開けられた、本発明による凝縮チャンバのパネルの上面図である。

パネルの奇数番のチャネルに数個の孔が開けられた、本発明による凝縮チャンバのパネルの上面図である。

何本かのチャネルに数個の孔が開けられ、スペーサが含まれた、本発明による凝縮チャンバのパネルの拡大透視図である。

本発明による凝縮チャンバのいくつかのパネルの拡大透視図である。

本発明による凝縮チャンバを形成するための、管のグループ分けを示す図である。

本発明による凝縮チャンバのための長方形の管カートリッジを示す図である。

スペーサを備えた、本発明による凝縮チャンバの管を示す図である。

本発明による凝縮チャンバの管の端部を示す拡大図である。

本発明による管のスペーサの、さまざまな形状の断面を示す図である。 本発明による管のスペーサの、さまざまな形状の断面を示す図である。

長方形の管カートリッジを備える、浄水のための本発明の他の実施形態の図である。

本発明のデミスターの透視図である。

本発明のデミスターのもうひとつの透視図である。

本発明のデミスターの空力フィンを示す図である。

以下の実施形態の説明では、本発明を実施することができる実施形態の例示のために、本明細書の一部を形成する添付の図面を参照する。

本発明は、汚れた水を浄化するための技術に関するものである。また、本発明は、塩水、汚染水、またはその他の液体を含む他のさまざまな液体の精製にも適用可能である。

本発明は、潜熱交換効率を最大化するためにエントロピー生成最小原理を使用し、交換面の充填密度を増加させることによって、現在の技術の多くの欠点を克服する。さらに、本発明は、連続的に低い運用コストを維持するための代替エネルギー源への切り替えだけでなく、システムパラメータを連続的に再調整するための運用システムのリアルタイムな適応制御を提供する。

図2aに本発明に関連した固定境界を有する熱力学系の図を示す。熱と質量は、熱力学系の境界を越えて輸送される。システム全体のエントロピーは、状態可変のものである。したがって、システム全体のエントロピー値は、定常状態にある間は同じ値を維持しなければならない。定常状態にあるときとは、例えば熱蒸留プラントが定常状態の動作条件に達したとき、もしくは、熱機関の理論サイクル後、たとえばインターナル・コンバッション・エンジン（内燃機関）で起こった後の状態を指す。また、システムの内部エネルギーの総量は、状態可変値である。

熱力学の第一法則（エネルギー保存則）は、システムの全エネルギーの時間変化率は、系に投入した全熱量（熱量の出力量は、熱量の投入量の負の値に等しい）と流入したエンタルピーの総量と、流入した仕事量の和に等しくなければならないと述べている。

（1）式と熱力学の第二法則は、システム全体のエントロピーの時間変化率は、各直接的な熱の入力に関するエントロピーの流入量の和と、各質量流量に関連付けられたエントロピーの流れの和、内部の不可逆的なエントロピー生成率の和の合計値に等しい。不可逆的エントロピー生成率はすべて正でなければならない。また、生成率はゼロの可能性もあるが、理想化された理論的な条件下では決して負の値をとらない。すなわち、下記の式で表される。

Sはシステム全体のエントロピー、Uは全システムの内部エネルギー量を表す。m_kは位置（またはポート）kに関する質量流量を表す。Pは正味の電力の投入量（もし出力の場合は負の値となる）、cは位置kにおける特定のエンタルピー量（単位質量あたり）、s_kは位置kにおける質量流量と関連づけられた特定のエントロピー量を表す。S_irrevlは内部にある位置lにおける内部エントロピーの生成率である。後者は熱力学の第二法則に従い、正でなければならない。定常状態では、ｄＳ／ｄｔとｄＵ／ｄｔの項は、先述した理由で消えなければならない。

例として、理想化された熱蒸留システム340を考える。それは、蒸発/凝結のメインブロック、汚染水の供給（位置１）、蒸留水のための出口、除外された塩水のための出口（位置2）から構成される。簡潔にするため、蒸留水と塩水は別の出口を持っていると一般化することができるが、同じ熱力学的パラメータを有すると仮定する。排出された塩水および蒸留水が熱力学的に密接に連結され、塩水のTDS濃度が塩水のエントロピーとエンタルピーに影響を与えるほどの値ではないとき、先述の仮定は有効である。蒸留を駆動するエネルギーは、直接的な加熱と、位置ゼロにおける電気抵抗ヒータおよび機械的圧縮を与えるための機械的な仕事の投入の組み合わせである。直接加熱の代替、もしくは補足として、熱い蒸気の注入を利用することにより殆ど同じ結果を得ることもできるが、ここでは議論しない。

定常状態では、エネルギー保存の法則と(2) 式より、下記の式が導かれる。ここで、Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｅｎｔｒｏｐｙ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎは内部エネルギーの生成を示す。
Ｑ＋Ｐ ＝ ｍ_１ （ｈ_２−ｈ_１ ） ・・・（３）
及び

なお、（３）と（４）式は質量保存の法則を想定した環境下において成立する（給水による質量流量は、 蒸留水および塩水（塩水)からの 合計の出力質量流量と均衡を保つ必要がある）。

この場合の内部エントロピー生成は、熱伝導損失、系内の流量による抵抗、及び機械的圧縮やその他の非効率性によるエネルギー損失から生じる。エントロピー生成は、逆転温度によって重み付けされたエネルギーの変化量に過ぎないので、2つの温度状態T1とT2の熱流Qに関する熱伝導損失に関して、下記のように表すことができる。

熱力学第二法則の高い温度から低い温度へ熱が流れるという法則により、Qは（T1- T2）の値と同じ符号を保つ必要がある。熱交換壁を通して熱を輸送するために、Stream-wise な方向に熱伝導が生じる。また、熱伝導は内部にある温度の熱い領域からより温度の低い系外の領域に熱が漏れ出る際にも起こる。流れを妨げようとする流体の粘性は内部エントロピーの生成に寄与する。機械式コンプレッサ、モーター等に固有の非効率性もまた、内部エントロピーの生成に寄与する。より一般的には、連続体極限において、内部エントロピーの生産速度は、変分原理を満たす正の積分のように表すことができる。すなわち、エントロピー生成速度の積分値は、熱伝導方程式と粘性流体運動方程式を満たす最小値として表される。これは、内部システムの真の解を近似する試行関数の使用を可能にする。

物理学、数学、コンピュータサイエンス等では、実際のダイナミクスを得るのは困難なため、おおよその推定値を取得するのに変分法がよく用いられる。また、推定誤差の大きさを変分法で予測できるため、通常、試験関数によって非常に良い結果が得られる。エントロピー生成率を推定する場合、試験関数では常により大きな値が得られるため、より控えめな推定値となる。これは、実際の値は推定値よりも良好である、と考えられるため望ましいことである。

ここで、機械的圧縮と直接加熱の効果を比較できる（それぞれＱ＝０、Ｐ＝０とする）。内部エントロピー生成率は不可逆プロセスによるが、蒸留プロセスが直接加熱によるものか、機械的蒸気圧縮によるものかには明白な依存性はなく、熱伝導性、壁厚、形状、流体粘度などのパラメータのみに依存する。そのため、エントロピー生成は投入する機械力と加える熱が同じであれば、概ね似通っていると考えてよい。

パワー投入が直接加熱による投入である場合（電気ヒーターを使用する場合など）、以下のエネルギー保存の数式
Ｑ ＝ ｍ_１Ｃ_Ｐ （Ｔ_２−Ｔ_１ ） ・・・（６）
およびエントロピーの数式

が導かれる。
効率的な熱蒸留システムでは、その項は１よりもずっと小さい値でなくてはならない（温度は絶対温度である）ため、対数項はテイラー級数展開式の最初の項だけを使うことで概算できる。したがって、

これに対し、機械的圧縮の場合、数式は次のようになる。
Ｐ ＝ Ｔ_１・ＩｎｔｅｒｎａｌＥｎｔｒｏｐｙｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ・・・（９）
これは、熱ポンプのような因子による直接加熱の式とは異なる。あるいは数式は以下のようになる。

ポンプ因子（１−Ｔ_１／Ｔ）は１よりずっと小さいため、特にT₁がTに近いときは、上記の関係により、機械的圧縮の直接加熱に対する熱力学的優位性が示唆される。また、内部エントロピー生成率を低下させることの重要性も示されている。このことによって、顕熱から潜熱への熱伝達プロセスに関して、直接的な潜熱交換が、間接的な潜熱から顕熱への伝達プロセスの代わりに実行可能であることを確認することがなぜ非常に重要なのかが説明される。後者の場合、凝縮チャンバと蒸発チャンバのあいだで非常に効率の高い熱伝達が行われなければならない。明らかに、表面積対体積率は表面荷重因子を低下させるが、温度差が少なくなり、実質的にエントロピー生成率の大幅な低下となる。本発明では、表面積対体積率は一般に７００ｍ^-1 以上である。直接加熱が機械的圧縮と比べて効率性が低い理由は、Ｑ／Ｔとしてのエントロピー投入が大きいためである。

内部エントロピー生成は試験関数変分法によって概算できるため、上記の数式は変分原理から必要な投入パワー（機械的パワーまたは熱パワー）を推測するひとつの方法である。

図２ｂは、水浄化に関する本発明の図であり、蒸発チャンバには水が満たされている。本発明の水浄化装置５０は、蒸発チャンバ５２、凝縮チャンバ５４、蒸発チャンバ５２と凝縮チャンバ５４との間に位置する熱交換壁５６、塩水チャンバ６８、コンプレッサ６０、デミスター６２、および塩水ポンプ６４を備える。通常、投入水は、投入水流特有の堆積物の沈降による蒸発チャンバの詰まりや汚染を防止するため、またチャンバ壁のスケーリングを減らすために前処理が施される。前処理は投入水のスクリーニングなどであり、スクリーンフィルタまたは堆積フィルタを用いて主要HDHプロセスの障害になりかねない大きな沈殿物や浮遊粒子を取り除く。また配管や凝縮チャンバに病原菌が付着して増殖するのを防ぐため、微生物や、水に溶けている、あるいは溶けていない、より細かな粒子も電気凝集のような凝集機構、緩速砂ろ過または活性炭のような生物学的ろ過、あるいは前塩素処理によって前処理が施される。チャンバ壁やパイプのスケーリングを防止するために、カルシウム系の固体物はスケーリング防止剤または凝集剤で処理すべきである。前処理は、最初のスタート時、蒸発プロセスを一時停止した後の再開時、HDHプロセスが過度に不安定になったとき（例えば、チャンバの最高温度の急激な低下によるもので、コントローラによってそれを最適状態に戻す場合）などに行ってもよい。

前処理した水はあらかじめ設定した温度まで加熱して、蒸気コンプレッサが動作するよう十分な量の水蒸気を供給できる。コンプレッサの吸気口に最初に水蒸気がなければ凝縮は起きず、その結果、潜熱が凝縮チャンバから蒸発チャンバへ潜熱が伝達されず、HDHプロセスにおいて不可欠な蒸発と凝縮のあいだのフィードバックループが実現しない。水の予熱には、太陽エネルギーを利用したソーラーヒータ（図示せず）または他の低質の熱源を使用できる。投入水を既定の温度にするため更に加熱する必要がある場合は、電気ヒーターなど、他のパワー源を利用した第２ヒーター（図示せず）を使用する。また、第２ヒーターは、動作温度が長時間にわたって安全範囲に達しない場合など、定期的な自己滅菌のため、温度をより高いレベルに上げるときに使用できる。

前処理した投入水６６を蒸発チャンバ５２に投入すると、前処理した投入水６６は熱交換壁５６に接触するように、蒸発チャンバ５２を満たす。通常、凝縮チャンバ５４から蒸発チャンバ５２に伝達する潜熱は、蒸発チャンバ５２において、前処理した投入水６６に効率良く伝達する。これは、前処理した投入水６６が蒸発チャンバ５２側の熱交換壁５６全面を覆うためである。このように水が満たされた蒸発チャンバと、ほぼ水平（好ましくはある程度の傾斜を有する）の熱交換面を隔てて隣り合う疎水性の凝縮チャンバによって、非常に効率的に液滴凝縮および浸透（パーコレーション）気化が実現できる。液滴凝縮においては、凝縮物は、連続的な膜ではなく小さな液滴となって熱交換面に現れる。これらは核生成の場であり、液滴は徐々に大きくなり、自身を保持できなくなり、急に合体する。大きくなった液滴は転がり落ち（スライド）、液滴がなくなった表面は飽和ガス中の蒸気分子に直接当たる。

隣接する液滴が急に合体するまでの最大半径は、departure radiusという。金属表面におけるdeparture radiusは通常、１−３ｍｍであるが、表面温度、表面およびバルク熱伝導性、蒸気流速度、スライドするメカニズムなどのさまざまな因子に依存する。通常、スライドは、液滴が大きくなり、重力または他のメカニズムが液滴の表面張力よりもかなり大きくなるレベルに達した時点で起きる。液滴凝縮においては、潜熱の伝達に抗する液膜が表面に存在しないため、膜的凝縮より１０倍以上良好な熱伝達係数が得られる。

液滴のスライド動作は、熱交換表面を大体水平な状態から適切な角度に傾けること、そしてコンプレッサのガス流量と圧縮率を調整することによって制御できる。スライド動作が急激になると、凝縮物の質量流量が増加し、departure radiusが小さくなり、熱伝達が増加する。しかし、熱伝達係数の増加は通常、凝縮物の質量流量の増加より小さく、熱交換面の蒸発側と凝縮側の温度差を大きくしなければならなくなり、効率が落ちる。したがって、傾斜角度を制御パラメータのひとつにすれば、システムの効率化につながる。

液滴凝縮は、膜的凝縮とはまったく逆で、疎水性素材の表面でのみ実現できる。蒸発側では、浸透、散布、蒸発で同様の効果が得られる。浸透（パーコレーション）蒸発では、蒸発チャンバが液体で満たされ、液体は浸透気泡とともに浸透し、凝縮チャンバの近いほうの端から再循環される。浸透蒸発は、液滴凝縮とは逆で、親水性の面が好ましい。親水性の面では、凝縮チャンバからのキャリアガスの再循環の結果として気泡が生じ、その気泡が液体の継続的な蒸発によって大きくなり、熱交換面の真下で気泡がぶら下がるように形成される。この気泡は熱交換壁の底面に形成される（蒸発器の上側の表面)。これは液滴凝縮の場合とはまったく逆である。このような逆の結露では接触角度が非常に小さくてよいため、蒸発器の表面は親水性が好ましい。

浸透蒸発プロセスの高度な潜熱伝達は、気泡が大きくなり急に崩壊し、大きな気泡が上方にスライドすることによって起きる。蒸発器の表面と液体の間には熱伝達に抗する気膜が存在しないため、熱伝達係数は従来の蒸発チャンバの１０倍にもなりうる。

蒸発側の熱交換面の接触角度は９０度未満であることが望ましいが、気泡は接触角度が１８０度に近くならない限り形成されうる。接触角度が大きくなれば、気泡の臨界サイズが大きくなり、熱伝達効率が悪くなる。ほとんどの疎水性のポリマーでは、接触角度は１４０度以下であるため、高度な潜熱伝達が、浸透（パーコレーション）蒸発原理に基づいてそのような表面で生じることは可能である。

HDHプロセス内の凝縮できないガスは、熱交換面にわたって熱伝達に大きな悪影響を与える。これは、蒸気分子が熱交換面に達するのを妨害し、蒸気分子が拡散してしまうからである。しかし、乱流レジームではガス流の横方向の動きによって蒸気分子が対流によって熱交換面の凝縮側に達するため、熱伝達は非常に向上することが知られている。同様に、蒸発側では、液体の乱流によって液体が対流攪拌され、液体の低い熱伝導率が克服される。

乱流開始時のレイノルズ数は約2200で、これは狭チャネルのフローで得られるレイノルズ数よりも通常大であるが、フローは微細構造障害物や外側からの攪拌によって乱流になりうる。コンプレッサブレードのパルス効果と、凝縮されていないガスを液体が満たされた蒸発チャンバへ再循環させるための渦形成ノズルは、どちらもそのような効果を与えることができる。

液体の乱流動作にはまた、熱交換面と非熱交換壁をスクラブできるという追加的な利点がある。また、液滴凝縮のスライド動作の開始に直接影響を及ぼす。これは、隣合う液滴の合体を促進し、振動動作によって合体した液滴を微細スケールされた核生成の場から除去する。これによって、液滴のdeparture radiusが小さくなり、熱交換効率がさらに良くなる。

しかし、乱流動作の存在は流体抗力を増加させ、コンプレッサでより高いポンプ圧が必要となる。したがって、コンプレッサのパワー条件を上げるか、熱交換効率の向上かのトレードオフを系の設計で考慮しなければならない。外壁が十分に絶縁されていれば、乱流動作のほとんどが最終的には熱になり、その熱は凝縮物の生成を促すのに利用される。これは、熱を直接投入する場合と同様である。その結果、全体的なエネルギー効率は、乱流による熱の生成はコンプレッサを動作させるのに使用する機械的エネルギーよりも効率が悪いという範囲で、低下する。熱の直接投入と機械的エネルギー投入の相対的な非効率性については後述する。

蒸発チャンバ５２と塩水チャンバ６８は、前処理した投入水６６からの塩が凝縮チャンバ５２から塩水チャンバ６８の底部へ重力による堆積によって流れるように接続することができる。したがって、蒸発チャンバ５２のブライン濃度は理論的には塩水チャンバ６８の底部におけるブライン濃度よりも低くなる。塩水チャンバ６８のブライン濃度がより高くなると、浸透圧によって蒸発チャンバ５２のブライン濃度が高くなる。塩水チャンバ６８の追加レベル７０は、浸透圧が移動するのに必要な総経路を増やすために使用できる。

塩水ポンプ６４は、ブライン濃度を下げるために塩水チャンバ６８から塩水をポンプで汲み上げることができ、これによって浸透圧を緩和できる。塩水ポンプ６４は、ブライン濃度によって、塩水ポンプ６４が必要とするポンプ動作量を決定できるよう、デジタル制御される。塩水ポンプ６４はブライン濃度によってそのポンプ動作率を自動的に設定できる。ポンプで汲み上げた塩水は、濃縮塩水と堆積物が排出されるよう、さらに分離される。そして汲み上げた塩水の残りは蒸発チャンバ５２へ再循環される。

ガスは、蒸発チャンバ５２から蒸発するときに、前処理した投入水で高度に飽和する。蒸発チャンバ５２から出される、この高度に飽和したガスは、デミスター６２を介してコンプレッサ６０のインレット７６へと誘導される。コンプレッサ６０は、この高度に飽和したガスを圧縮し、超飽和ガスをコンプレッサ６０のアウトレット７８を介して凝縮チャンバ５４に送る。コンプレッサ６０は、コンプレッサ６０のインレット７６とアウトレット７８におけるガス流量およびそれらのガスの圧縮率を調整するために、デジタル制御可能である。

デミスター６２の目的は、蒸発チャンバで気泡を液体から分離させることである。通常、デミスターは目の細かい、コーティングされた、またはコーティングされていない、金属スクリーンを備えている。金属スクリーンのメッシュのサイズ小さく、取り込まれた液滴をミストの形で蒸発チャンバで除去できるため、コンプレッサのハウジングに液滴が入ることが防止される。このような取り込まれた液滴は腐食性であり、コンプレッサにとって有害である。また、有機的または無機的な汚染物が含まれていることがあり、それによって凝縮器側で凝縮物を二次汚染するおそれがある。しかし、ガスの流速は通常、流体速度の千倍であるから、デミスターのスクリーンのガスに対する流れ抵抗によって無視できない圧力低下が起こる。これによってコンプレッサの効率が低下し、それを補うためにより多くのパワーを投入しなければならなくなる。このため全体的なエネルギー効率は著しく低下する。

低温・低圧動作によって、金属スクリーンではなくプラスチック製のデミスターを使用することが可能である。プラスチック成形品は柔軟性があるので、wire messの断面は、より長く、より流線型の形にできる。前部の面積が同じであれば、空気力学的形状の断面のほうが、丸型の断面の場合より抵抗係数が１００倍から１０００倍小さくなることはよく知られている。デミスターによる圧力低下はこれで大幅に低減され、全体のエネルギー効率の向上につながる。デミスターのスクリーンによる摩擦的圧力を低下させるエネルギーは、失われるのではない。熱に転換して熱エネルギーとして凝縮チャンバに投入できる。

好ましい実施形態では、蒸発チャンバで液体がほぼ水平に満たされる。また、コンプレッサの吸引力を受ける。この吸引力によって、塩液体がデミスターの入り口まで運ばれるため、ガスと塩液体をより効果的に分離することが必要となる。デミスターの好ましい実施形態では、テフロンなどの疎水性の高いプラスチック材料をデミスターのメッシュに用いる。これによって、塩液体に対して負の毛管力を働かせることができる。

超飽和ガスは凝縮チャンバ５４に投入され、熱交換壁５６上に凝縮水（生産水または精製液体）が形成される。熱交換壁５６は実質的に水平方向に、重力が実質的に熱交換壁５６に直角になるように配置される。熱交換壁５６は疎水性が高いものが好ましく、それによって凝縮水が熱交換壁５６上に液滴を形成する。凝縮チャンバ５４からの残りのガスは経路７２を介して蒸発チャンバ５２に再循環でき、その結果、浸透蒸発により蒸発および潜熱回復が良好となる。凝縮チャンバ５６は、生産水などの凝縮水が貯蔵タンク（図示せず）やその他の用途のために流れるよう、アウトレット７４を有してもよい。凝縮チャンバ５４は、更なる凝縮のためにリッジ８０を備えてもよい。リッジ８０は、凝縮水の雫を熱交換壁５６に落とすために、わずかに傾斜させてもよい。

生産水および前処理した投入水６６は熱交換壁５６のどちらの側にもあるため、凝縮チャンバ５６から蒸発チャンバ５２への潜熱伝達は著しく増加し、それによって浄水装置５０の全体的な効率が上がる。

熱交換効率をより向上させるためには、熱交換壁の基板のバルク熱伝導性は高くあるべきで、交換面はできるだけ広く、壁厚はできるかぎり小さくあるべきである。熱交換壁５６は、ポリプロピレン、耐食性合金、ポリカーボネートなどのさまざまな熱伝導性材料で形成されてよい。

ステンレススチール、銅ニッケル合金、チタンは、ポリプロピレンやポリカーボネートなどのプラスチック板より何十倍もバルク熱伝導性が高いが、湿潤性が強い。そのため、液滴凝縮に対して伝導性がない。ただし、化学的な表面処理または金メッキを施して表面エネルギーを向上させることは可能である。ポリカーボネートやポリプロピレンなどのプラスチック基板は何十倍も安価で、耐食性に優れているため薄くできる。HDHプロセスは大気圧で、または大気圧に近い圧力で動作するため、金属基板の強度は必要ない。壁厚が薄いことにより、ポリマーの低熱伝導率が部分的に補われる。

さらに、重合体基板のバルク伝導率は、カーボンブラック、炭素繊維、カーボンナノチューブなどの高伝導性の充填材で向上できる。カーボンブラックなどの炭素添加物によって、バルク熱伝導率は４倍にも増やすことができる。カーボンファイバーなどのナノ構造の炭素基板、特にカーボンナノチューブやグラフェンの基板の場合、バルク熱伝導率は約１０倍に増加すると考えられる。グラフェンは純銀と同じくらい熱伝導率が良く、カーボンナノチューブは銀や銅の約２０倍である。炭素繊維とカーボンナノチューブの添加剤によって、ポリマー基板の機械的強度と剛性は著しく増強されるため、より薄い壁厚が実現できる。

図３は、追加的な補助蒸気ジェネレータを有する、浄水のための本発明の他の実施形態の図である。本発明５０の浄水装置は、凝縮チャンバ５４に直接蒸気を注入する補助蒸気ジェネレータ８２を備えることができる。浄水装置５０の作動開始時、補助蒸気ジェネレータ８２は凝縮プロセスと蒸発プロセスを進めるために初期化できる。補助蒸気ジェネレータ８２は、力学的エネルギー、太陽光エネルギー、熱エネルギー、電気エネルギー、およびその他のパワー生成手段により作動できる。力学的エネルギー、太陽光エネルギー、熱エネルギーを使用することによって、環境に優しい浄水装置を実現でき、周囲の天然資源を活用する。

図４は、蒸発チャンバと凝縮チャンバのための複数のチャネルを備える、浄水のための本発明の図である。本発明の浄水装置１００は、蒸発チャンバ１０４の複数のチャネル１０２と凝縮チャンバ１０８の複数のチャネル１０６が織り交ざるようにしてもよい。蒸発チャンバ１０４のチャネル１０２と凝縮チャンバ１０８のチャネル１０６は、一番外側のチャネル以外は、蒸発チャンバ１０４のいずれか１つのチャネルが凝縮チャンバ１０８のいずれか２つのチャネルの間に入り、また凝縮チャンバ１０８のいずれか１つのチャネルが蒸発チャンバ１０４のいずれか２つのチャネルの間に入るように配置される。さらに、蒸発チャンバ１０４の各チャネルのインターフェース部分と凝縮チャンバ１０８の各チャネルのインターフェース部分の間には熱交換壁（たとえば熱交換壁１１０）が設けられている。蒸発チャンバ１０４のチャネル１０２と凝縮チャンバ１０８のチャネル１０６は、凝縮水が重力によって熱交換壁上に溜まるよう、実質的に水平方向に配置できる。

蒸発チャンバ１０４のチャネル１０２はそれぞれの端で接続されている。同様に、凝縮チャンバ１０８のチャネル１０６はそれぞれの端で接続されている。浄水装置１００のコンプレッサ１１２は蒸発チャンバ１０４から飽和ガスを受け取るためのインレット１１４を備え、凝縮チャンバ１０８へ超飽和ガスを供給するためのアウトレット１１６を備えてよい。飽和ガスをデミストするためのデミスター１１８を飽和ガス蒸発チャンバ１０４とコンプレッサ１１２の間に接続してよい。さらに、飽和ガスをさらにろ過して不要な粒子を取り除くために、静電分離装置やその他の電気ろ過システムなどの空気ろ過器（図示せず）を使用してもよい。浄水装置１００は凝縮チャンバ１０８からのガスを蒸発チャンバ１０４へ、Ｐトラップ１２４を介して、あるいは他の方法または装置を使って、再循環させてもよい。凝縮チャンバ１０８からの生産水は、生産水貯蔵タンク１２６まで誘導される。生産水は、重力またはその他の方法によって、凝縮チャンバ１０８のチャネル１０６から降下し、生産水貯蔵タンク１２６に入る。また、ガスは凝縮チャンバ１０８のチャネル１０６から降下し、Ｐトラップ１２４に入る。Ｐトラップは、さらに蒸発チャンバ１０４に接続されている。凝縮チャンバ１０８内の圧力は蒸発チャンバ１０４内の圧力よりも大きいため、凝縮チャンバ１０８からのガスは、Ｐトラップ１２４を経て、蒸発チャンバ１０４に排出される。この圧力差のため、蒸発チャンバ１０４内に入った水はＰトラップ１２４を介して凝縮チャンバ１０８に逆流することはない。ガスが蒸発チャンバ１０４に誘導されるときに気泡が発生するよう、気泡生成ノズル（図示せず）またはその他の気泡生成機構をＰトラップ１２４の端に設けてもよい。

塩水チャンバ１２８は、投入水を蒸発チャンバ１０４に提供できる。塩水チャンバ１２８は、浸透圧のために通る経路を長くするため、複数のレベル（図示せず）を有してもよい。また、塩水チャンバ１２８には、塩水チャンバ１２８の底から高濃縮された塩水をポンプで排出するための塩水アウトレット１３０が設けられてもよい。また、塩水チャンバ１２８は、投入水を塩水チャンバ１２８に給水するための、そして蒸発チャンバ１０４に投入水を満たすための、インレット１３２を備えてもよい。

生産水の量を増やすため、本発明の浄水装置は、それぞれ複数のチャネルを備えた複数のパネルをもつ凝縮チャンバを備えてよい。パネルはその端部で相互接続されてよく、お互いに既定の距離を隔てて並べられる。パネルはさらに空洞内に配置され、その空洞には投入水が入り、蒸発チャンバとなる。こうして、パネルは投入水の中に埋没し、パネルのバリアはパネルのチャネル内の凝縮水とパネルの外側の投入水の間の熱交換壁となる。この構造の詳細を以下に述べる。

たとえば、図５は、凝縮チャンバのための複数のパネルを備える、本発明の浄水装置の図である。浄水装置１５０は、近位マニホールド１５２が浄水装置１５０の上側にあり、遠位マニホールド１５４が浄水装置１５０の下側にある、長方形の形状因子を有してもよい。さらに、凝縮チャンバのパネル１５６は、長方形であり、浄水装置１５０において縦、横、その他のどの角度にも設置できる。パネル１５６はそれぞれ複数のチャネル（図示せず）を有してよい。また、凝縮チャンバのパネル１５６も、浄水装置１５０の全体的な形状因子に合うよう、長方形の形状を有してよい。浄水装置１５０の蒸発チャンバは、パネル１５６の外側ではあるが浄水装置１５０内のエリア（エリア１６４）、上部１５８、下部１６０を備えてよい。同エリア、上部１５８、下部１６０は、投入水と投入水に含まれているガスが浄水装置１５０のこれらの３つの場所内を自由に流れることができるよう、接続されている。

パネル１５６のチャネルは蒸発チャンバからの流入がないよう密封されており、投入水が蒸発チャンバから漏れてパネル１５６のチャネルに入ることを防いでいる。しかし、パネル１５６のチャネルからの乾いた空気は、遠位マニホールド１５４を介して蒸発チャンバに送られて再循環される。コンプレッサ１６２は、高度に飽和したガスを上部１５８の蒸発チャンバから受け取り、超飽和ガスを、パネル１５６のチャネルに接続された近位マニホールド１５２に送る。このように、超飽和ガスはパネル１５６のチャネルのトップからパネル１５６のボトムへと誘導される。パネル１５６のチャネル内の凝縮水は遠位マニホールド１５４内に溜まり、さらに生産水貯蔵タンク（図示せず）に誘導されるか使用される。

浄水装置１５０の上述の形状因子は、本発明の実施で使用できる多くの形状因子のひとつにすぎない。当業者なら本発明を用いてさまざまな他の形状因子を実施できることは明白である。したがって、本発明の他の形状因子も本発明の範疇に入る。

図６は、本発明の浄水装置の遠位マニホールドを示す。遠位マニホールド１５４は、ｐトラップ１７２、スリット１７４、排水孔１７６、取り付けペグ１７８、生産水ガイド１８０を備える。ｐトラップ１７２は、凝縮チャンバのパネル１５６からのガスをスリット１７４を介して蒸発チャンバへ再循環させる。スリットは気泡の生成を促し、蒸発チャンバに送る気泡生成器（図示せず）を有してよい。排水孔１７６によって、パネル１５６は生産水ガイド１８０に接続され、パネル１５６内で凝縮された生産水は生産水ガイド１８０を介して集められ、生産水貯蔵タンクへと誘導される。パネル１５６は、取り付けペグ１７８によって、浄水装置内に取り付けられ、固定される。

図７は、本発明の浄水装置の近位マニホールドの図である。本発明の近位マニホールド１５２は、蒸発器インレット１８２、飽和ガスアウトレット１８４、取り付けペグ１８６を備える。蒸発器インレット１８２は、蒸発チャンバからの高度に飽和したガスを収集し、そのガスを、本発明の浄水装置のコンプレッサのインレットに誘導する。コンプレッサはその高度に飽和したガスを圧縮し、超飽和ガスを、飽和ガスアウトレット１８４を介してパネル１５６に送る。取り付けペグ１８６はパネル１５０を取り付けて固定するのに使用する。図８は、本発明の浄水装置の透視図である。上述のように、浄水装置２００は長方形の形状因子を有してよい。浄水装置の透視図では、そのような形状因子を示している。

図９は、パネルの偶数番のチャネルに数個の孔が開けられた、本発明による凝縮チャンバの１枚のパネルの上面図である。各パネルはチャネル１−１８などの複数のチャネルを有してよい。チャネルは長方形、楕円形など、ひとつ、またはそれ以上の断面形状があってよい。この例ではチャネルは、チャネルの上面図が長方形になる長方形の形状である。チャネル１、３、５、７、９、１１、１３、１５、１７は外側の液体やガスに対して実質的に不浸透性であるが、チャネル２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８には孔が開いており、その孔によってそれらのチャネルの内側と、パネルの外側にある液体やガスが繋がる。このようにして、孔が開いたチャネル２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８にはパネルの外側にある液体やガスが満ちる。孔の開いたチャネル２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８の端は密封され、凝縮チャンバおよび孔の開いていないチャネルに外側の液体やガスが入り込むのを防いでいる。つまり、孔の開いていないチャネルは凝縮チャンバとして機能し、孔の開いたチャネルは蒸発チャンバとして機能する。

通常、パネルのチャネルは、パネルの外側からチャネルに漏れ出したガスや液体に対して実質的に不浸透性を有する。しかし、熱力学的プロセスを向上させるためには、パネルに沿って並んだチャネルは１つおきに孔を開け、その孔からパネルを囲む外側の液体やガスが入るようにしてよい。たとえば、液体がパネルを囲んでいる場合、孔が開いていないチャネルの隣のチャネルには孔が開いているため、液体は孔が開いていないチャネルのすべての面を包囲できる。

上述のように、孔が開いていないチャネルには、孔が開いていないチャネルの片側から反対側へ流入する高度に飽和されたガスが含まれる。パネルの外側は蒸発チャンバ内の液体と接触している。したがって、孔の開いていないチャネルを形成するパネル壁は、凝縮チャンバと蒸発チャンバの間の熱交換壁のような役割を果たす。蒸発チャンバへ再循環されるガスも、液体が満たされたエリアを、孔とパネルの“網”にぶつかり、躓きながら通ることができる。これによってガスの通り道が増えるため、再循環されたガスは、浄水装置のコンプレッサのインレットで集められる前にさらに飽和できる。

図1０は、パネルの奇数番のチャネルに数個の孔が開けられた、本発明による凝縮チャンバの別のパネルの上面図である。チャネル１、３、５、７、９、１１、１３、１５、１７には孔が開けられている。これらの孔によって、チャネル１、３、５、７、９、１１、１３、１５、１７は、パネルの外側にある液体やガスによって満たされる。チャネル２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８は、パネルの外側からの流入がないよう密封されており、パネルの外側から孔の開いたチャネル２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８に流入することを防いでいる。チャネル１、３、５、７、９、１１、１３、１５、１７の端は密封されており、外側の液体やガスが凝縮チャンバおよびパネルの孔の開いていないチャネルに入ることを防いでいる。

凝縮チャンバは、それぞれ複数のチャネルを備えるパネルが並んだアレイ（図５に図示）を有してよい。前述したように、各パネルの特定のチャネルには孔が開いており（たとえばパネルのチャネルのうち孔が開いたものが１つおきに並んでいる）、パネルの外側にある液体またはガスが孔が開いていないチャネルに流入することを実質的に防いでいる。あるパネルの孔が開いたチャネルとその隣のパネルの孔が開いたチャネルは、第一のパネルの孔が開いた１つのチャネルからその隣の第二のパネルの孔が開いた１つのチャネルを横切る直接直交する線が存在しないよう、お互いに相殺されるようにしてよい。その目的は、蒸発チャンバの片側の端から蒸発チャンバの反対側の端にガスが移動するときに凝縮チャンバの孔が開いたチャネルを横断しなければならないようにすることによって、移動経路を延長することである。

したがって、ひとつのアレイにおいていくつかのパネルを配置して凝縮チャンバの一部を形成できる。すなわち、第一のパネルではそのパネルの偶数番のチャネルを孔が開いたチャネルとし、第二のパネルではそのパネルの奇数番のチャネルを孔が開いたチャネルとし、第三のパネルではそのパネルの偶数番のチャネルを孔が開いたチャネルとする（このパターンが続く）。そうすることで、チャネルに開いた孔は２つの隣り合うパネル間で相殺され、蒸発チャンバの片側の端から蒸発チャンバの反対側の端にガスが移動するときに通る経路が長くなる。

さらに、第一のパネルの孔が第三のパネルの孔と相殺されるようにすれば、再循環されるガスが蒸発チャンバ内の投入水の中を進む距離をさらに長くできる。

図１１は、何本かのチャネルに数個の孔が開けられ、スペーサが含まれた、本発明による凝縮チャンバのパネルの拡大透視図である。本発明のパネル２６０は、１本おきに孔が開けられたチャネルと、隣り合うパネルが接触しないようにするスペーサ２６２を備えてよい。

図１２は、本発明のいくつかのパネルの拡大透視図である。２８０−２８６のパネルは隣合うように配置され、凝縮チャンバの一部を形成するパネル２８０−２８６のそれぞれは孔が開いたチャネルを備える。さらに、スペーサ２９０−２９６がパネル２８０−２８６に配置され、構造的完全性を実現している。

図１３は、本発明による凝縮チャンバを形成するための、管のグループ分けを示す図である。本発明の実施形態では、本発明の凝縮チャンバのチャネルを形成するため、複数の管（たとえば管３００−３１２）はグループとしてまとめてよい。管の壁は、管内の凝縮する液体飽和ガスと蒸発チャンバの投入液体の間の熱交換壁として機能できる。スペーサ（たとえばスペーサ３２０−３２６）は管のまわりに設置してよい。このとき、同じグループ内の隣り合う管の間には隙間が設けられるようにする。蒸発チャンバ内で管が液体中に埋没するとき、蒸発チャンバ内のガスおよび投入水は管の外側、すなわち隣り合う２本の管の間の（したがって各管を取り巻く）スペースを満たす。

蒸発チャンバ内の投入液体の体積は、凝縮チャンバの管の内体積と等しいことが望ましい。蒸発チャンバ内では管の充填密度が高いため、管の熱交換壁の総表面積は著しく増加する。たとえば、１フィート×１フィート×２フィートの空間内でグループとなっている管の総表面積は、７００平方フィート以上の熱交換壁に相当する。したがって、一般的に、本発明は、その充填密度によって逆浸透圧ろ過システムに匹敵する。

熱交換壁の総表面積を最大化し、蒸発チャンバの他の考慮すべき点を最大化するための、管をグループにまとめる方法はさまざまで、多様な構成が可能である。たとえば、管は、各管の径中心と隣接する管の径中心との間の距離がすべて等しくなる、六角形のパターンでまとめるのが好ましい。同じグループ内の管（内管）では、各内管には隣接する管がそれぞれ６本ある。たとえば、管３３０は内管であり、管３３０はその周りに６本の隣接する管を有する。

管は蒸発チャンバ内で液体中に埋没しているため、蒸発チャンバからの投入液体が凝縮チャンバの管に流入しないよう、管の端部は密封されている。蒸発チャンバからの流入を防ぐために端部を密封する方法は複数存在する。たとえば、管の内部への蒸発チャンバからの流入を防ぐために、ガスケットアセンブリーを管の端部に使用してもよい。ガスケットアセンブリーは、蒸発チャンバ内の投入液体が管の中に流入することを防止するための確実な密封を実現する一方、飽和ガスを管の内側に誘導する。ガスケットアセンブリーの詳細については後述する。

図１４は、本発明による凝縮チャンバのための長方形の管カートリッジを示す図である。本発明のさまざまな実施形態では、本発明の凝縮チャンバの管は、長方形の管カートリッジ３５８を形成するようにグループ分けできる。長方形の管カートリッジ３５８の管の端部は、端キャップ３６０、３６２によって密封される。長方形の管カートリッジ３５８の端キャップ３６０、３６２は、本発明の浄水装置のコンパニオンアセンブリー（図示せず）に挿入してガスケットアセンブリーにできる。端キャップ３６０、３６２がコンパニオンアセンブリーに取り付けられると、管の外側と管の内側がお互いに隔離される。このように、蒸発チャンバ内の投入液体（管の外側にある）は管内部に流入することはできない。また、長方形の管カートリッジ３５８とガスケットアセンブリーは、管の洗浄や取替え時など、必要に応じて浄水装置から取り外すことができる。さらに、管カートリッジは、本発明の浄水装置に合うよう、楕円形、円形、台形など、さまざまな形状にできる。

図１５は、スペーサを備えた、本発明による凝縮チャンバの管を示す図である。本発明の凝縮チャンバの管には、管の外側にスペーサを取り付けてよい。スペーサは、同じグループ内の隣接する管がお互いに物理的に接触しないようにするものである。また、スペーサは、蒸発チャンバ内の、管の近くを通る気泡を捕らえる役割を果たす。気泡は捕らえられた後、スペーサに沿って誘導されるため、気泡が蒸発チャンバの端部に到達する速度が遅くなる。

管のスペーサは、管の片方の端から管の他方の端にのびるフィンを１つまたはそれ以上備えてもよい。たとえば、管３７０はスペーサ３７２を有してよい。スペーサ３７２は、管３７０の外側に、管の端部から端部へと、らせん状にまといつくように設けられたひとつのフィンである。またスペーサ３７０には、管３７０付近を通る気泡を捕らえるため、フィンの端部にリップまたはエッジを設けてもよい。

他の実施形態では、管３７０のスペーサに、管３７０の外側にらせん状にまといつくような複数のフィン（図示しない）を設けてよい。さらに、フィンの代わりに、管３７０のスペーサは管３７０の全長にわたってさまざまな箇所に設けられた、管３７０から突出するリングであってもよい（図１３に図示）。

図１６ａは、本発明による凝縮チャンバの管の端部を示す拡大図である。管３７０のスペーサ３７２には、気泡を捕らえるためのエッジ３７４を、管３７０とは反対側の端部３７４に設けてよい。エッジ３７４はスペーサ３７２の残りの部分に対してさまざまな角度で設置してよい。エッジ３７４は、スペーサ３７２とともに管３７０の全長にわたって設けられてもよい。さらに、エッジ３７４は、捕らえられた気泡がスペーサ３７２から逃れられるよう、管３７０に沿った特定のいくつかの場所でテーパーを施してもよい。

図１６ｂ−図１６ｃは、本発明による管のスペーサの、さまざまな形状の断面を示す図である。本発明のスペーサのエッジはさまざまな形状を有することができる。たとえばスペーサ３８０は、スペーサ３８０の両側（またはいずれかの側）にのびる、カーブしたエッジ３８２を有してよい。また、スペーサ３８４は、スペーサ３８４の両側（またはいずれかの側）にのびる、平らなエッジ３８６を有してもよい。本開示によれば、本発明に関連して他の形のエッジも使用可能であることは当業者にとって明白である。したがって、本発明は、それらのさまざまなエッジの形状も示唆するものであると理解される。

図１７は、長方形の管カートリッジを備える、浄水のための本発明の他の実施形態の図である。本発明の浄水装置４００は、蒸発チャンバ４０２、長方形の管カートリッジ４０６を有する凝縮チャンバ４０４、コンプレッサ４０８、塩水ポンプ４１０、生産水貯蔵タンク４１２を備える。蒸発チャンバ４０２は投入液体で満たされ、長方形の管カートリッジ４０６は投入液体中に埋没する。長方形の管カートリッジ４０６には第一の端キャップ４１４および第二の端キャップ４１６を備える。端キャップ４１４、４１６は浄水装置４００のガスケットアセンブリに取り付けられ、投入液体が長方形の管カートリッジ４０６の管の内部に流入することを防ぐための密封栓となる。

フード４１８は、蒸発チャンバ４０２からの飽和ガスをコンプレッサ４０８に誘導する。次にコンプレッサ４０８は飽和ガスを圧縮し、超飽和ガスを長方形の管カートリッジ４０６の管に送り込むことができる。超飽和ガスは、端キャップ４１４を介し、管の反対側（端キャップ４１６の側）に移動する。コンプレッサ４０８は、浄水装置４００の温度境界内に配置でき、その力学的エネルギーを浄水装置４００に伝達する。たとえば、コンプレッサ４０８は、コンプレッサ４０８の力学的エネルギーが投入水の加熱用に伝達されるよう、蒸発チャンバ４０２（図示せず）内に沈めてよい。さらに、コンプレッサ４０８の振動によって、浄水装置４００に振動が与えられ、さまざまなブラインやその他の不純物が凝縮チャンバ４０４のスペーサや管からふるい落とされる。

超飽和ガスが管内で凝縮すると、生産水が生産水貯蔵タンク４１２に流入できる。凝縮チャンバ４０４の管は、重力によって生産水が下にある生産水貯蔵タンク４１２に落とされるように、わずかに傾斜をつけてもよい。管からの乾いた空気は、蒸発チャンバ４０２の底部または凝縮チャンバ４０４の底部に送られる。ブライン濃度が既定のレベルに達した時点で、塩水ポンプ４１０が作動し、蒸発チャンバ４０２の底部から塩水を汲み上げる作業を開始する。

本発明で開示された諸特徴が浄水装置４００で使用できることは、当業者にとっては明白である。したがって、そのような特徴もまた、本発明の本実施形態に適用できると理解される。

図１８は、本発明のデミスターの透視図である。本発明のデミスター４２０は、相互接続されている２層（重ねられている、接着剤で固定されている、一体成形されている、または他の製造技術によって２層を形成している）の空力フィン４２２―４２４を有してよい。第一の層４２２は、液体がフィンの表面を濡らすことを防止するために疎水性の材料でできた複数の空力フィンを備えてよい。第一の層４２２のフィンは実質的に平行に整列されてよい。第二の層４２４は、フィンの表面が濡れやすくするために親水性の材料でできた複数の空力フィンを備えてよい。第二の層４２４のフィンも、実質的に平行に整列されてよい。第一の層４２２のフィンと第二の層４２４のフィンは、お互いに実質的に直角になるように配置できる。上記以外の層のフィンも必要に応じて追加または設計してよい。

蒸発チャンバのガスや液体が沸騰すると、放出された液体は第一の層４２２に接触しがちであるが、第一の層は疎水性なので、液体はばらばらの小さな液滴になる。小さな液滴が継続して上昇すると、第二の層４２４は親水性なので、これらの液滴をそのまま逃がす（液敵がたとえばコンプレッサに入る等）のではなく、第二の層４２４が液滴によって濡れる。投入水の液滴が第二の層４２４上で集まると、重力は投入水の液滴を蒸発チャンバにもどす。

図１９は、本発明のデミスターのもうひとつの透視図である。ひとつの層のフィンの中心と、同層にあるその隣のフィンの中心との間の距離間隔は、それらの各フィンの幅の５分の１であることが好ましい。たとえば、同じ層にある、隣り合う２つのフィン間の距離間隔４４０は、その層のフィンの幅４４２の５分の１である。本開示によれば、他の距離間隔設定も当業者にとっては明白である。

図２０は、本発明のデミスターの空力フィンを示す図である。デミスターの空力フィン４６０は、ガスがフィンを通り抜けることができるような空気力学的設計を有してもよい。

前述の開示から明らかなように、シンプルで、モジュール式であり、さまざまな地域における諸条件に適応でき、パワー消費量が少なく、自然に入手できるエネルギー源をも使用できる、安価な浄水方法、浄水装置および浄水システムを提供することを目的とする。本発明は、セルフモニタリングが可能で、わずかな訓練で現場のメンテナンスを行うことができ、また最適なシステムメンテナンスを維持するために消耗品を使用する必要がない。

本発明は、浄水装置内に設けたセンサを用い、生産水の生成効率を最大化するために、さまざまな段階における温度および湿度をモニターできる。たとえば、凝縮チャンバにおける空気流は、凝縮の最大化を図るための正しい差異が維持できるよう、制御可能である。

浄水装置の制御システムは、次のことを実行できる。投入水の予熱、エネルギー管理（太陽エネルギーや風力の生成など）、カビ発生防止の安全温度を維持するためのさまざまな段階での温度管理を行うための、浄水装置の継続的にモニタ、携帯機器（ワイヤ有、ワイヤレス）によるグラフィックなユーザインターフェースの提供、システムオペレーションや自己メンテナンスのログの記録、投入水と生産水の品質検査（単位時間内に数回実行）、スケーリングなどの原因によるシステムの効率低下の検知とセルフフラッシュやクリーニングのサイクルの実行、システムが安全な温度範囲で稼動しており、危険なバクテリアやカビの温床になっていないことを確認し、電気ヒータを制御して定期的に自己滅菌を行う、システムの温度モニタ。また、制御システムは、ＴＤＳレベルをモニタできる。

おそらく、より重要なのは、制御システムを、エントロピー生成最小原理によって最大エネルギー効率が得られるよう稼動制御するために、使用できることである。ＨＤＨ機器では、エントロピー生成はソースとシンクの間の温度差による熱伝導が主な原因である。エントロピー生成プロセスはシステム内部で起こるが、その規模は各外部ポートにおいてリアルタイムで投入熱と出力率、温度および質量の流量をモニタすることで推測できる。エントロピー総生成量がわかれば、ＭＩＭＯ（Multiple-input/multiple-output）適応制御アルゴリズムを用いて、エントロピー生成を制御最適化の目的関数にすることでエントロピー生成をほぼ最低レベルにできる。これは、最もエネルギー効率が良い稼動状態が最もエントロピー生成が少ない状態であり、また最もエントロピー生成が少ない状態が最もエネルギー効率が良い状態であるためである。あるいは、さまざまなエネルギー源のコストの変動を考慮して、目的をエントロピー生成ではなく、単位あたりのエネルギーコストとすることもできる。したがって、補助蒸気生成によって機械的圧縮と直接加熱を混合し、総エネルギー費用の最低化を図ることも可能である。

本発明は特定の好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明がそのような特定の実施形態または方法に限定されないことは理解されるべきである。本発明は、後述の請求項が示すように最も広義に理解、解釈すべきであるというのが発明者の意図である。したがって、請求項はここで説明した好ましい装置、方法、システムのみではなく、当業者が明らかに本発明の範疇に入ると考える他の改変や変更もすべて包含すると理解されるべきである。

Claims (20)

1. 投入液体から精製液体を生成するための装置であって、
   投入液体が満たされる蒸発チャンバ、および
   チャネルを有する凝縮チャンバを備え、前記チャネルは投入液体中に配置され、
   蒸発チャンバ内では液体飽和ガスが投入液体から生成され、
   液体飽和ガスはチャネルの第一の端部内に案内され、
   精製された液体はチャネルの他端で出力されることを特徴とする装置。
2. 前記チャネルの壁が熱交換壁であり、チャネルの壁を介して投入液体とチャネルとの間で潜熱が伝達される、請求項1に記載の装置。
3. 前記凝縮チャンバがパネルのアレイであり、各パネルは複数の個々のチャネルを有する、請求項1に記載の装置。
4. 複数の個々のチャネルが、それぞれのパネルに沿って一列に並んでいる、請求項3に記載の装置。
5. 特定の個々のチャネルが有孔チャネルであり、投入液体は有孔チャネルの内部に入り、投入液体が凝縮チャンバに満ちるのを防ぐために有孔チャネルの端部が封止されている、請求項4に記載の装置。
6. 前記チャネルが管である、請求項1に記載の装置。
7. 管はそれぞれスペーサを有し、管はグループにまとめられ、投入液体は管と管の間を流れる、請求項６に記載の装置。
8. 各管の径方向中心と、隣接する管の径方向中心の間は等距離である、請求項７に記載の装置。
9. 前記チャネルが実質的に水平方向に整列される、請求項１に記載の装置。
10. インレットとアウトレットを備えるコンプレッサをさらに備え、コンプレッサは液体飽和ガスをインレットを通じて受け取り、液体飽和ガスを圧縮し、圧縮した液体飽和ガスをアウトレットを通じてチャネルに排出する、請求項１に記載の装置。
11. 凝縮チャンバ内の液体飽和ガスの一部が気泡発生機構を介して蒸発チャンバに再循環される、請求項１に記載の装置。
12. 液体飽和ガスの一部を再循環させるためのＰトラップチャネルをさらに備え、Ｐトラップチャネルは蒸発チャンバと凝縮チャンバを接続し、凝縮チャンバ内の圧力は蒸発チャンバの圧力を超える、請求項１１に記載の装置。
13. 堆積チャンバをさらに備え、堆積チャンバは、液体中のより重い粒子を堆積チャンバに沈降させるため、蒸発チャンバに接続されている、請求項１に記載の装置。
14. 前記堆積チャンバは、前記堆積チャンバから粒子を圧送するためのデジタル制御されたポンプを備えている、請求項１３に記載の装置。
15. 前記堆積物チャンバが相互接続されたさまざまなレベルを有し、相互接続されたレベルのそれぞれにおいて異なる粒子濃度を得ることを可能にする、請求項１３に記載の装置。
16. 蒸気チャンバによって提供される液体飽和ガスを精製するための静電分離器をさらに備える、請求項１に記載の装置。
17. 投入液体から精製液体を生成するための装置であって、
    投入液体が満たされる蒸発チャンバ、
    パネルのアレイを有し、各パネルでは複数のチャネルがパネルに沿って一列に並んでいる凝縮チャンバ、および
    インレットとアウトレットを有するコンプレッサを備え、
    チャネルは、投入液体中に沈められ、
    液体飽和ガスは、投入液体から生成され、
    コンプレッサはインレットを介して液体飽和ガスを受け取り、
    コンプレッサは、液体飽和ガスを加圧し、
    加圧された液体飽和ガスはアウトレットを介してチャネルの第一の端部に排出され、
    精製された液体は、チャネルの第二の端部で出力され、
    チャネルの壁は熱交換壁であり、
    投入液体とチャネル間でチャネルの壁を介して潜熱が伝達されることを特徴とする装置。
18. 液体飽和ガスの一部を再循環させるためのPトラップチャネル、
    堆積チャンバ、および
    液体飽和ガスを精製する静電分離器をさらに備え、
    特定の個々のチャネルは有孔チャネルであり、
    投入液体は有孔チャンネルの内部に入り、
    有孔チャネルの端部は、投入液体が凝縮チャンバに満ちることを防止するため密封され、
    チャネルは、実質的に水平方向に整列され、
    凝縮チャンバ内の液体飽和ガスの一部が気泡発生機構を介して蒸発チャンバに再循環され、
    Ｐトラップチャネルは凝縮チャンバと蒸発チャンバとを接続し、
    凝縮チャンバ内の圧力が蒸発チャンバ内の圧力を超えており、
    堆積チャンバは、液体中のより重い粒子を堆積チャンバに沈降させるため、蒸発チャンバに接続されており、
    堆積チャンバは、堆積チャンバから粒子を圧送するためのデジタル制御されたポンプを備えており、
    堆積チャンバは相互接続されたさまざまなレベルを有し、相互接続されたレベルのそれぞれにおいて異なる粒子濃度を得ることが可能である、請求項１７に記載の装置。
19. 投入液体から精製液体を生成するための装置であって、
    投入液体で満たされる蒸発チャンバ、
    複数のチャネルを含み、前記チャネルは管である凝縮チャンバ、および
    インレットおよびアウトレットを有するコンプレッサを備え、
    前記チャネルは、投入液体中に沈められ、
    液体飽和ガスは、投入液体から生成され、
    コンプレッサは液体飽和ガスをインレットを介して受け取り、
    コンプレッサは、液体飽和ガスを加圧し、
    加圧された液体飽和ガスはアウトレットを介してチャネルの第一の端部に排出され、
    精製された液体は、チャネルの第二の端部で出力され、
    チャネルの壁は、熱交換壁であり、
    チャネルの壁を介して、投入液体とチャネルの間で潜熱が伝達され、
    管はそれぞれスペーサを有し、
    管はグループにまとめられ、
    投入液体が管と管の間を流れることを特徴とする装置。
20. 液体飽和ガスの一部を再循環させるためのＰトラップチャネル、
    堆積チャンバ、および
    蒸気チャンバによって提供される液体飽和ガスを精製するための静電分離器をさらに備え、
    各管の径方向中心と、隣接する管の径方向中心の間は等距離であり、
    チャネルは、実質的に水平方向に整列され、
    凝縮チャンバ内の液体飽和ガスの一部が気泡発生機構を介して蒸発チャンバに再循環され、
    Ｐトラップチャネルは凝縮チャンバと蒸発チャンバとを接続し、
    凝縮チャンバ内の圧力が蒸発チャンバ内の圧力を超えており、
    堆積チャンバは、液体中のより重い粒子を堆積チャンバに沈降させるため、蒸発チャンバに接続され、
    堆積チャンバは、堆積チャンバから粒子を圧送するためのデジタル制御されたポンプを備え、
    堆積チャンバーは相互接続されたさまざまなレベルを有し、相互接続されたレベルのそれぞれにおいて異なる粒子濃度を得ることが可能である、請求項１９に記載の装置。

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