JP2018065100A - 水蒸留システム - Google Patents

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Abstract

【課題】太陽エネルギを利用して、海水を効率よく蒸留可能な水蒸留システムを提供する。【解決手段】水蒸留システム100は、海水L1よりも高濃度の塩水L2が貯留される貯留部1と、一端部が、水源S1の海水L1と連通し、他端部が、貯留部1の塩水L2と連通する導水管2と、導水管2に装着された半透膜3と、浸透作用により導水管2を介して貯留部1に導かれた塩水L2を、太陽エネルギを用いて蒸留する蒸留部4とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、海水や淡水を水源として蒸留水を得る水蒸留システムに関する。
従来より、太陽エネルギを利用することにより海水を蒸留して飲料水等を得るようにしたシステムが提案されている(例えば特許文献1参照)。この特許文献1記載のシステムは、海面上に浮設された親水性膜のベースと、ベースに連結され、ベースの上方にドーム状空間を形成する構造体とを有し、ベースを通過した水蒸気をドーム状空間の内部で凝縮させて蒸留水を得る。
特表2003−506212号公報
しかしながら、上記特許文献1記載のシステムは、海水の蒸発によりドーム状空間に水蒸気を発生させるため、効率的な蒸留を行うことができない。
本発明の一態様は、海水または淡水からなる第1液体を水源に用いて蒸留を行う水蒸留システムであって、第1液体よりも高濃度の第2液体が貯留される貯留部と、一端部が第1液体と連通し、他端部が貯留部の第2液体と連通する導管部と、導管部に装着された半透膜と、浸透作用により導管部を介して貯留部に導かれた第2液体を、太陽エネルギを用いて蒸留する蒸留部と、を備える。
本発明によれば、第1液体と第1液体よりも高濃度の貯留部の第2液体とを、半透膜を介して導管部により連通させるので、浸透作用によって導管部を介した貯留部への流れが生じ、第1液体を水源に用いて効率よく蒸留することができる。
本発明の第1の実施形態に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。 本発明の第2の実施形態に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。 図2の蒸留部の変形例を示す図。 本発明の第1の変形例に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。 本発明の第2の変形例に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。 本発明の第3の変形例に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。 本発明の第4の変形例に係る水蒸留システムの概略構成を示す図。
−第1の実施形態−
以下、図1を参照して本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る水蒸留システムの概略構成を示す図である。この水蒸留システムは、太陽エネルギを利用し、海水または淡水を水源として蒸留水を得るように構成される。なお、以下では、海水を水源として蒸留水を得る例を説明する。
図1に示すように、水蒸留システム100は、海水L1よりも塩分濃度の高い塩水L2が貯留された貯留部1と、一端部2aが水源S1としての海水L1(海)と連通し、他端部2bが貯留部1に貯留された塩水L2と連通する導水管2と、導水管2に装着された半透膜3と、貯留部1に貯留された塩水L2を蒸留する蒸留部4とを備える。貯留部1は、容器11を有し、容器11に塩水L2が貯留される。なお、第1の実施形態では、貯留部1(容器11)が蒸留部4の一部を構成する。
蒸留部4は、容器11の上方を覆うドーム形状のカバー41を有し、容器11とカバー41とにより、ドーム状の密閉空間42が形成される。貯留部1は、屋外、例えば海面Saよりも高所の陸地に設置される。貯留部1に貯留された塩水L2の温度は、カバー41の上面に照射される太陽光(太陽エネルギ)の熱により上昇する。なお、カバー41は、太陽光の熱を効率よく透過できる材料、容器11は熱吸収性材料で構成される。
塩水L2の温度が上昇すると、塩水L2は蒸発し、水蒸気となる。この水蒸気は、夜間等において密閉空間42の温度が低下すると凝縮されて水滴となり、水滴はカバー41の内壁を伝わって滴下する。カバー41の下端部には、カバー41の内壁の全周にわたり、水滴を受水する桶部43が設けられる。桶部43には配管44が接続され、桶部43に滴下した蒸留水は、配管44を介して蒸留部4の外部の貯水槽5に導かれ、貯水槽5に貯留される。貯水槽5に貯留された蒸留水は、蛇口50を介して取り出すことができ、例えば飲料水として用いることができる。なお、半透膜3の孔径は1n(ナノ)m程度の極小のため、飲用に対する浄化処理は必要としない。
このように本実施形態では、水源S1としての海とは別に設けた有限体積の貯留部1に塩水L2を貯留する。したがって、塩水L2は、海水L1よりも温度上昇の程度が大きく、これにより太陽エネルギを用いて塩水L2を効率よく蒸発させ、効率的に蒸留水を得ることができる。この場合、海から貯留部1まで、塩水L2の元となる海水L1を移送する必要があるが、これをポンプ等の動力を用いて行うと、大がかりな設備が必要となり、水蒸留システム100の設置コストおよびランニングコストが上昇する。そこで、本実施形態では、これらのコストを削減するために以下のように半透膜3を介した浸透現象を利用して海水L1の移送を行う。
図1に示すように、導水管2の一端部2aは、海中に配置される。この導水管2の一端部2aは、透過水を効率よく集める形状で、例えば円錐状に拡径され、その端面に給水口20が形成される。給水口20には、その全面にわたり半透膜3が装着される。導水管2は、一端部2aから鉛直上方に延在する鉛直管部21と、鉛直管部21から屈曲して水平方向に延在する水平管部22と、水平管部22から屈曲して鉛直下方に延在する鉛直管部23とを有し、全体が略コ字状を呈する。導水管2の他端部2b(鉛直管部23の先端部)は、貯留部1に貯留された塩水L2内に配置される。
導水管2には、導水管2の内部に塩水L2を充填する充填部30が設けられる。充填部30は、導水管2から分岐した分岐管31を有する。より具体的には、分岐管31は、手動操作可能な開閉バルブ32を介して鉛直管部21と水平管部22との交差部に接続される。分岐管31の上端部には、注入口33が設けられ、開閉バルブ32の開閉に応じて注入口33から導水管2内に塩水L2を注入可能である。これにより導水管2内の全体を塩水L2で充填することができるとともに、導水管2を介して貯留部1に塩水L2を供給し、貯留部1に塩水L2を貯留することができる。
貯留部1における塩水L2の濃度は、海水L1の濃度よりも高く設定される。一例を挙げると、塩水L2の濃度は、海水L1の濃度(例えば3.5%)の2倍程度(7%程度)に設定される。半透膜3は、一定の大きさ以下のイオンや分子を透過させる膜である。海水L1と塩水L2とでは濃度差があるため、海水L1から塩分(溶質)を除いた水(溶媒)が半透膜3を透過して導水管2内に移動し(浸透現象)、塩水L2の一部となる。これにより導水管2の一端部2aから他端部2bにかけて塩水L2が流れ、他端部2bから貯留部1内に流出する。
なお、海水L1と塩水L2との濃度差により、導水管2内には浸透圧が生じるが、導水管2の一端部2aから最上部(水平管部22)までの高さL0は、この浸透圧により生じ得る海水L1と塩水L2の液面高さの差(例えば、U字管に半透膜を介して海水L1と塩水L2とを収容したときに生じる液面高さの差)よりも小さく設定される。これにより、海水L1(厳密には半透膜3を透過した海水L1の一部である水)は重力に抗して水平管部22まで上昇することができ、海水L1を海面Saよりも高所に位置する貯留部1まで移送することができる。
次に、本発明の第1の実施形態に係る水蒸留システム100の動作の一例について説明する。図1に示すように、導水管2内に海水L1よりも高濃度の塩水L2が満たされた状態においては、浸透現象により海水L1の一部が給水口20の半透膜3を通過して導水管2内に流入し、塩水L2となる。これにより導水管2内の塩水L2が貯留部1に移送される。貯留部1(蒸留部4)において、塩水L2は、太陽エネルギの熱により蒸発し、水蒸気が発生する。この水蒸気は凝縮されて水滴となり、水滴はカバー41の内壁を伝わって桶部43に滴下し、配管44を介して貯水槽5に貯留される。
この場合、半透膜3を介して導水管2内に海水L1の一部の水が流入するが、その分、貯留部1で水が蒸発するため、結果的には導水管2内の塩水L2の濃度はほぼ一定に保たれる。したがって、貯留部1への海水L1の移送を継続して行うことができる。以上により、海水L1を汲み上げるためのポンプ等の動力を用いることなく、自然エネルギのみを用いて、効率的に海水L1を蒸留することができ、海水L1の淡水化が可能となる。
本発明の第1の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
(1)水蒸留システム100は、海水L1よりも高濃度の塩水L2が貯留される貯留部1と、一端部が、水源S1である海水L1と連通し、他端部が、貯留部1の塩水L2と連通する導水管2と、導水管2に装着された半透膜3と、浸透作用により導水管2を介して貯留部1に導かれた塩水L2を、太陽エネルギを用いて蒸留する蒸留部4とを備える(図1)。これによりポンプ等の動力を用いずに、半透膜3を透過した海水L1(塩水L2)を貯留部1に移送し、貯留部1で蒸留を行うことができる。その結果、海で海水L1を蒸発させる場合に比べ、液体(塩水L2)を効率よく蒸発させることができ、効率的な蒸留を行うことができる。
(2)蒸留部4は、密閉空間42を形成する容器11およびカバー41と、密閉空間42での塩水L2の蒸発によって得られた蒸留水を集水する桶部43とを有する(図1)。これによりポンプ等の動力を用いずに、蒸留部4で塩水L2から蒸留水を得ることができる。
(3)密閉空間42は、貯留部1(容器11)の上方を覆うように形成される(図1)。これにより貯留部1で蒸留が行われるようになるため、貯留部1とは別に蒸留部4を設ける必要がなく、全体構成を簡素化できる。
(4)水蒸留システム100は、半透膜3よりも貯留部1側における導水管2の内部に塩水L2を充填する充填部30をさらに備える(図1)。これにより導水管2の内部が塩水L2で満たされ、導水管2内で浸透作用を得ることが可能となる。
(5)充填部30は、半透膜3よりも貯留部1側において導水管2から分岐し、導水管2に塩水L2を供給する分岐管31と、分岐管31から導水管2への塩水L2の充填量を調整する開閉バルブ32とを有する(図1)。これにより導水管2への塩水L2の充填量を調整することができ、導水管2内の塩水L2の濃度調整が容易である。
−第2の実施形態−
図2,3を参照して本発明の第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態と異なり、貯留部1とは別に蒸留部4を設ける。図2は、本発明の第2の実施形態に係る水蒸留システム101の概略構成を示す図である。なお、図1と同一の箇所には同一の符号を付し、以下では、第1の実施形態との相違点を主に説明する。
図2に示すように、海には、配管35を介して受水槽36が接続される。配管35には開閉バルブ37が設けられ、開閉バルブ37の開閉量に応じて受水槽36に海水L1が供給される。受水槽36の海水L1には、半透膜3が装着された導水管2の一端部2aが連通する。なお、受水槽36は、開閉バルブ37の開閉量に応じて適度な量の海水L1で満たされており、受水槽36の海水L1が、水源S1の下流の水源S2として用いられる。
導水管2の他端部2bは、貯留部1に貯留された塩水L2に連通する。これにより受水槽36の海水L1が、浸透作用によって半透膜3を介し海面Saよりも高所に設けられた貯留部1まで移送される。貯留部1は、容器11の側壁から略水平方向に延在する配管12を有し、配管12の一端部12aは、容器11内の塩水L2に連通する。
蒸留部4の底面には、円錐面状に上下方向に傾斜した傾斜面45が形成される。傾斜面45は、太陽光の吸収効率を高めるように例えば黒色に構成される。なお、傾斜面45は、蓄熱性に優れた材料によって構成することが好ましい。配管12の他端部12bは、密閉空間42の中央部における傾斜面45の最上部の上方に配置される。これにより配管12を介して傾斜面45の上方から密閉空間42内に塩水L2が供給される。
密閉空間42に供給された塩水L2は、傾斜面45に沿って下方に流れるため、塩水L2の蒸発が促進される。塩水L2の蒸発により密閉空間42内に水蒸気が生じることで、蒸留部4で蒸留水を得ることができる。傾斜面45の最下部には、全周にわたって溝部46が設けられ、傾斜面45で蒸発せずに外周部に流れた塩水L2は溝部46に貯留される。
図3は、図2の蒸留部4の変形例を示す図である。図2では、カバー41を貫通した配管12が密閉空間42内を水平方向に延設されるが、図3では、配管12がカバー41の最上部を貫通して下方に突設される。また、図3に示す傾斜面45は、その最上部から最下部にかけて傾きが徐々に大きくなるように、例えば放物線を水平に倒した曲線によって構成される。さらに傾斜面45には、最上部から最下部にかけて螺旋状の溝47が設けられ、塩水L2は溝47に沿って流れる。これにより傾斜面45上における塩水L2の流路が長くなる。この場合、傾斜面45の上方にいくほど傾斜が緩やかとなるため、塩水L2は、傾斜面45の上部においてゆっくりと流れる。このような構成により、塩水L2の蒸発を一層促進することができる。
図2に示すように、水蒸留システム101は、貯留部1の塩水L2の水位h1を検出する水位計51と、蒸留部4の溝部46に溜まった塩水L2の水位h2を検出する水位計52とを有する。開閉バルブ37は、電磁式開閉バルブであり、コントローラ38により開閉動作が制御される。すなわち、コントローラ38は、水位計51,52により検出された水位h1,h2がそれぞれ所定範囲を超えないように開閉バルブ37を制御し、海から受水槽36への海水L1の供給量を調整する。これにより塩水L2のオーバーフローを防ぐことができる。
本発明の第2の実施形態によれば、第1の実施形態で述べた作用効果に加え、以下のような作用効果を奏することができる。
(1)蒸留部4は、密閉空間42の底面に、上下方向に傾斜した傾斜面45を有する(図2)。水蒸留システム100は、一端部が貯留部1の塩水L2に連通するとともに、他端部が傾斜面45の上方に配置されて、傾斜面45の上方から密閉空間42に塩水L2を導く配管12をさらに備える(図2)。これにより蒸留部4では、傾斜面45に沿って塩水L2が流れるようになるため、塩水L2の蒸発を促進することができる。
(2)配管35を介して供給された海水L1を貯留する受水槽36と、配管35に設けられ、受水槽36への海水L1の供給量を調整する開閉バルブ37とをさらに備え、導水管2の一端部2aは、受水槽36の海水L1と連通する(図2)。これにより受水槽36における海水L1の貯留量を調整することができ、受水槽36の下流における貯留部1や蒸留部4での塩水L2のオーバーフローを防止することができる。
−変形例−
本発明は、上記実施形態に限らず、種々の形態に変形することができる。以下、変形例(他の実施形態)について説明する。図4は、本発明の第1の変形例に係る水蒸留システム102の概略構成を示す図である。なお、図4では、導水管2に接続される充填部30の図示を省略する。図4に示すように、第1の変形例では、貯留部1と蒸留部4とがフロート60を介して海面Saの上方に設置されるとともに、貯留部1が海底に固定される。密閉空間42には、例えば植物61が配置される。この構成によれば、塩水L2の蒸発によって生じた水蒸気を用いて、植物61を栽培することができる。
図5は、本発明の第2の変形例に係る水蒸留システム103の概略構成を示す図である。なお、図5においても、図4と同様、導水管2に接続される充填部30の図示を省略する。図5に示すように、第2の変形例では、貯留部1の下方にソーラーパネル62が配置される。これにより太陽エネルギを用いて発電を行うとともに、ソーラーパネル62の熱により貯留部1の塩水L2の温度上昇を促進することができる。なお、図5では、密閉空間42の中央部に受水槽63が設けられ、受水槽63に蒸留水が溜められる。
図6は、本発明の第3の変形例に係る水蒸留システム104の概略構成を示す図である。図6では、複数の貯留部1(第1貯留部1A、第2貯留部1B、第3貯留部1C)が設けられるとともに、これに対応して複数の導水管2(第1導水管2A、第2導水管2B、第3導水管2C)が設けられる。なお、図6においても、図4と同様、各導水管2に接続される充填部30の図示を省略する。第1貯留部1Aは海面Saよりも高所に位置し、第2貯留部1Bは第1貯留部1Aよりも高所に位置し、第3貯留部1Cは第2貯留部1Bよりも高所に位置する。第3貯留部1Cに蒸留部4が設けられる。
第1導水管2Aの内部および第1貯留部1Aは、海水L1よりも高濃度の第1塩水L2Aで満たされ、第2導水管2Bの内部および第2貯留部1Bは、第1塩水L2Aよりも高濃度の第2塩水L2Bで満たされ、第3導水管2Cの内部および第3貯留部1Cは、第2塩水L2Bよりも高濃度の第3塩水L2Cで満たされる。この構成により、海水L1を第1貯留部1A、第2貯留部1B、第3貯留部1Cへと順次移送することができる。したがって、蒸留部4を山や丘の上等の高所に設置することができ、高所で蒸留水を容易に得ることができる。
上記実施形態では、海水L1を蒸留するようにしたが、川の水や地下水等の淡水を蒸留することもできる。すなわち第1液体は海水ではなく淡水であってもよい。図7は、本発明の第4の変形例に係る水蒸留システム105の概略構成を示す図であり、第1液体として井戸水を蒸留する例を示す図である。なお、図7では、導水管2に接続される充填部30の図示を省略する。図7に示すように、半透膜3が装着された導水管2の一端部2aは、井戸7の井戸水L3に連通し、他端部2bは、貯留部1に貯留された井戸水L3よりも高濃度の塩水L2(第2液体)に連通する。これにより半透膜3を介して井戸水L3が導水管2内に移動し、井戸水L3を水源とした塩水L2から蒸留水を得ることができる。
なお、上記実施形態では、海水L1と塩水L2とを導水管2を介して連通するようにしたが、一端部が、海や川、井戸等の第1液体(海水L1、井戸水L3等)と連通し、他端部が、貯留部1の第2液体(塩水L2)と連通するのであれば、導管部としの導水管2の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、導水管2の一端部2aに半透膜3を装着したが、半透膜3の装着位置はこれに限らず、半透膜が第1液体に没していれば、例えば導水管2の中央部に装着してもよい。上記実施形態では、ドーム状のカバー41を用いて塩水L2が蒸発する密閉空間42を形成したが、空間形成部の構成はこれに限らない。上記実施形態では、カバー41の内壁に桶部43を設けるようにしたが、第2液体の蒸発により得られる蒸留水を集水する集水部の構成はこれに限らない。
上記実施形態(図2)では、傾斜面45の上方に、一端部が貯留部1の塩水L2に連通した配管12の他端部を配置するようにしたが、第2液体を密閉空間に導く大2液体供給管部の構成はこれに限らない。上記実施形態(図2)では、配管35(取水管)を介して供給された海水L1を受水槽36に貯留するようにしたが、第1液体貯留部の構成はこれに限らない。配管35に設けられる供給量調整部としての開閉バルブ37の構成はいかなるものでもよい。上記実施形態では、導水管2から分岐した分岐管31(分岐管部)と、分岐管31から導水管2への塩水L2の充填量を調整する開閉バルブ32(充填量調整部)とを有する充填部30(液体充填部)を設けるようにしたが、第2液体充填部の構成はこれに限らない。
以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態と変形例とを任意に組み合わせることが可能である。
1 貯留部、2 導水管、3 半透膜、4 蒸留部、12 配管、30 充填部、31 分岐管、32 開閉バルブ、36 受水槽、37 開閉バルブ、41 カバー、42 密閉空間、43 桶部、45 傾斜面、100〜105 水蒸留システム、L1 海水、L2 塩水、S1 水源

Claims (7)

  1. 海水または淡水からなる第1液体を水源に用いて蒸留を行う水蒸留システムであって、
    前記第1液体よりも高濃度の第2液体が貯留される貯留部と、
    一端部が前記第1液体と連通し、他端部が前記貯留部の前記第2液体と連通する導管部と、
    前記導管部に装着された半透膜と、
    浸透作用により前記導管部を介して前記貯留部に導かれた前記第2液体を、太陽エネルギを用いて蒸留する蒸留部と、を備えることを特徴とする水蒸留システム。
  2. 請求項1に記載の水蒸留システムにおいて、
    前記蒸留部は、密閉空間を形成する密閉空間形成部と、前記密閉空間での前記第2液体の蒸発によって得られた蒸留水を集水する集水部と、を有することを特徴とする水蒸留システム。
  3. 請求項2に記載の水蒸留システムにおいて、
    前記密閉空間は、前記貯留部の上方を覆うように形成されることを特徴とする水蒸留システム。
  4. 請求項2に記載の水蒸留システムにおいて、
    前記密閉空間形成部は、底面に上下方向に傾斜した傾斜面を有し、
    一端部が前記貯留部の前記第2液体に連通するとともに、他端部が前記傾斜面の上方に配置されて、前記傾斜面の上方から前記密閉空間に前記第2液体を供給する第2液体供給管部をさらに備えることを特徴とする水蒸留システム。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の水蒸留システムにおいて、
    取水管を介して供給された前記第1液体を貯留する第1液体貯留部と、
    前記取水管に設けられ、前記第1液体貯留部への前記第1液体の供給量を調整する供給量調整部と、をさらに備え、
    前記導管部の前記一端部は、前記第1液体貯留部の前記第1液体と連通することを特徴とする水蒸留システム。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の水蒸留システムにおいて、
    前記半透膜よりも前記貯留部側における前記導管部の内部に前記第2液体を充填する第2液体充填部をさらに備えることを特徴とする水蒸留システム。
  7. 請求項6のいずれか1項に記載の水蒸留システムにおいて、
    前記第2液体充填部は、
    前記半透膜よりも前記貯留部側において前記導管部から分岐し、前記導管部に前記第2液体を供給する分岐管部と、
    前記分岐管部から前記導管部への前記第2液体の充填量を調整する充填量調整部と、を有することを特徴とする水蒸留システム。
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