JP4559682B2 - 浸透気化膜を有する水蒸留器およびその作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般に水蒸留器に関し、詳細には、海水、汽水などの汚染水資源から飲料水を供給する水蒸留器に適用可能である。ただし、これに限定されるわけではない。
【０００２】
（従来技術の概要）
乾燥した、または苛酷な環境で、調理、あるいは例えば人間または動物が消費するための食物または薬品への給水に直接に消費するための飲料水のある場所を低コストで突き止め、または飲料水を供給することはしばしば困難である。例えば、湾岸諸国は巨大な海水貯蔵量を有するが、陸地にほとんど飲料水はない。したがって、集落は、真水の大きな給源である河川の周囲、または高価な淡水化プラントまたは遠く離れた貯水池からのパイプ網が整備された港の周囲に集中している。さらに、塩分の多い、または汚染された水は一般に植物生理にとって有害なため、潅漑に使用することができない。そのため、このような水を食物生産に利用する場合には、何らかの形の浄化が必要となる。したがって、作物への水の供給が制限されると、作物生産は制限される可能性がある。この制限は、きれいな水の限られた可用性またはきれいな水を実際に生産するコストから生じる。言い換えると、総称的に「汚染された」形態の水は容易に入手可能かもしれないが、その用途に必要なレベルへの汚染水の浄化は、経済的に実行不可能である場合がある。
【０００３】
人間が生存するための飲料水を確保するという観点から過酷な環境は、例えば、海（ヨット事故後に救命ボートで漂っているとき）や砂漠で遭遇し、惑星間探査中にも遭遇する。さらに、干ばつ、洪水および地震を含む自然災害も、通常なら適切に供給されていた区域への飲料水の供給を重大かつ不都合に遮断する可能性がある。実際、後者の場合には、被災地域にタンカーで飲料水を運ぶ必要が実際に生じる可能性がある。それには極めて費用がかかり、輸送の面で短時間のうちに達成することが難しい。
【０００４】
海事法が要求するサバイバルパック、軍隊が使用するサバイバルパックには実際に大量の飲料水がパッケージングされ、したがってサバイバルパックの全重量のかなりの割合が水によって占められていることは興味深い。その結果、サバイバルパックは一般にかさばり、持ち運ぶ場合には、携行者に追加のストレスを与える。
【０００５】
宇宙での水のリサイクルも、ＮＡＳＡなどの宇宙機関にとって相当な関心事である。さらに、水の密度は、宇宙飛行において小さいながら制限因子となる。重量および追加の推力、したがって燃料の要求を制限するため、打上げ時に宇宙船が携行する水の量は制限される。したがってリサイクルは必須である。さらに、２１世紀に計画されている将来の惑星間探査では、水の同定および同定した水の飲料水または水耕栽培に適した水への有効な変換は重要な問題である。
【０００６】
工業的スケールで使用されている淡水化機構には、蒸発法、電気分解および浸透が含まれる。これらはいずれも比較的に高価であり、しばしば巨大なシステムおよび／または電源を必要とする。（例えば）緊急の状況では明らかに、このようなシステムは実現だけならできようが、存在する場合でも、一定かつ相当な電源を供給する必要を考慮すれば機能しない可能性がある。
【０００７】
したがって、比較的に単純で安価な水浄化システムが求められている。
【０００８】
（発明の概要）
本発明の第１の態様によれば、実質的に不浸透性の上部セクション、および前記実質的に不浸透性の上部セクションに連結されたベースを有する室を備え、前記ベースが、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする膜から形成され、さらに、前記水浸透気化プロセスによって室の内部に凝縮した水滴がその中に集まる開口を有する集水井戸を備え、該集水井戸が前記ベースの内部に位置し、そこから一般に外側へ延びていることを特徴とする水蒸留器が提供される。
【０００９】
前記膜は無孔膜であることが好ましい。
【００１０】
前記室の内部に複数の凝縮トレイが形成されることが好ましく、該複数の凝縮トレイによって水滴が前記集水井戸に輸送されることが好ましい。
【００１１】
本発明の他の態様では、キノコ形水蒸留器が抵抗される。このキノコ形水蒸留器は、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする膜ベースに連結された実質的に不浸透性のドーム状上部セクションから形成された湿潤室と、前記水浸透気化プロセスによって前記湿潤室の内部に凝縮した水滴がその中に集まる開口を有し、ベースの内部に位置し、そこから一般に下方へ延びている熱伝導性集水井戸と、そして、該キノコ形水蒸留器から飲料水を抜き取るために前記熱伝導性集水井戸に連結されている水栓とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
好ましい一実施形態では、前記膜が、少なくとも４００ｇ／ｍ²／２４時間、好ましくは１０００ｇ／ｍ²／２４時間超の水蒸気透過速度を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含む。
【００１３】
本発明の他の態様では、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする膜ベースに連結された実質的に不浸透性の上面を有する湿潤室を形成すること、開口を有する集水井戸を前記湿潤室の内部に配置すること、前記膜ベースに近接して汚染水源を配置し、これによって前記膜ベースを横切る蒸気圧勾配を形成すること、および前記湿潤室の内部で凝縮した水を前記開口の中に導くこと、を含む汚染水浄化方法が提供される。
【００１４】
この方法は、さらに任意選択で、前記湿潤室と水源の温度差を利用し、前記集水井戸を「ヒートシンク」として使用することによって水蒸気を凝縮させる階段を含む。
【００１５】
この方法が、さらに、前記湿潤室の内部で凝縮した水滴を膜ベースから除去て、集水井戸の中に導くことを含むことが好ましい。
【００１６】
本発明の他の態様では、実質的に不浸透性のセクションと水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔膜との間に形成された湿潤室と、前記水浸透気化プロセスによって前記湿潤室の内部で凝縮した水滴がその中に集まる開口を有する熱伝導性集水井戸とを備え、前記集水井戸が前記湿潤室のベースの近くに位置することを特徴とする水蒸留器が提供される。
【００１７】
前記実質的に不浸透性のセクションが該水蒸留器の側壁およびベースを提供し、これによって集水井戸の中に水滴を集める働きをすることが好ましい。使用時には水蒸留器全体が沈められる。
【００１８】
本発明の他の態様では、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔膜に連結された実質的に不浸透性の表面を有する湿潤室を形成すること、開口を有する集水井戸を前記湿潤室の底面の近くに配置すること、汚染水源を前記無孔膜と接触させ、これによって該無孔膜を横切る蒸気圧勾配を形成すること、および前記湿潤室の内部で凝縮した水を重力の作用で前記開口の中に導くこと、を含む汚染水浄化方法が提供される。
【００１９】
有利なことには、本発明の水蒸留器が、単純な機械的構造を有し、すぐに配置することができる水浄化システムを提供する。可動部品を潜在的に持たない好適な実施形態では、製造コストおよび製造の複雑さが低い。実際、この水蒸留器を、容易に組み立てられる軽量かつコンパクトな形態にパッケージングすることができる。好ましい実施形態の水蒸留器設計のスケーリングは任意である。このプロセスが、自然に生じる温度差を使用し、所望ならば、太陽エネルギー、風または波のエネルギーなどの自然の力によって任意選択の可動部品を駆動することができるので、製造されたエネルギー源（バッテリー、発電機など）を使用せずに飲料水の供給が得られる。
【００２０】
次に、本発明の例示的な実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００２１】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１の基本ブロック図に、本発明の水蒸留器１０の構造の根本原理を例示的に示す。
【００２２】
水蒸留器１０は、親水性膜ベース１４に連結されたドーム状外側セクション１２を備える。親水性膜ベース１４は床の働きをし、（本来の位置で）水蒸留器１０に安定化バラストを提供する集水井戸１６と協力する。集水井戸１６は一般に、水蒸留器１０の幾何形状の中心に位置し、下向きに柄のように延びて、水蒸留器１０にキノコ形の断面を与える。集水井戸１６の底面または底面の近くには一般に、一方向弁が組み込まれていることが好ましい水栓１８が位置する。ドーム状外側セクション１２は、実質的に不浸透性の丈夫な熱吸収性材料層（例えばポリ塩化ビニル、他のプラスチック、金属など）から作られることが好ましい。ドーム状外側セクション１２、親水性膜ベース１４および集水井戸１６は室２０を形成する。集水井戸とドーム状外側セクション１２の間には、おそらくはドーム状外側セクション１２を越えて中心シャフト２２が延びることができる。中心シャフト２２は、ドーム状外側セクション１２との適当な連結を通して、水蒸留器１０、とりわけドーム状外側セクション１２に構造上の支持を与えることができる。
【００２３】
動作について説明する。海、潟湖、河川、汽水域などの汚染された水源、または他の理由で飲用に適さない水源２４に水蒸留器を、ドーム状外側セクション１２と親水性膜ベース１４の交差部２６が水源２４の表面よりも下になるように浮かべる。ドーム状外側セクション１２と親水性膜ベース１４は、一般に接着、融着または縫着されるが、他の固定機構も明らかに可能である。ただし交差部２６は水密とする。水源２４に沈めると、親水性膜ベース１４を通して水蒸気が浸透気化し、室２０の湿度が相対的に高くなる。
【００２４】
室２０の内面は凝縮表面の働きをし、一般に水滴は主として集水井戸１６の中へ導かれる。中心シャフト２２（これもやはり凝縮表面の働きをする）は、亜鉛めっき鋼などの良好な熱伝導特性を有する材料から作られることが好ましい。もちろん、中心シャフト２２を、金属よりも水との接触に耐えるプラスチック材料から作ることもできるが、強度および剛性は一般に金属よりも劣る。ただし金属は、発錆および他の形態の腐食／疲労を防ぎ、これに抵抗するための処理が必要となる場合がある。集水井戸１６も中心シャフト２２と同じ材料から作られることが好ましく、やはり良好な熱伝導特性を有することが求められる。したがって集水井戸１６は、使用時に、相対的に冷たい水源２４へのヒートシンクの働きをし、したがって熱的に連結された内部構造（例えば中心シャフト２２など）も、集水井戸１６を介して周囲の水源２４へ放熱することができる能力の恩恵を受ける。したがって、集水井戸のヒートシンクとしての使用および周囲の水の冷却効果によって凝縮速度は増大する。
【００２５】
理解されるように、凝縮は一般に、最も冷たい表面で起こり、そのため、（最終的に周囲の汚染水源への）放熱能力を有する表面が最も効率的である。さらに、凝縮は室２０の中の湿度を低減させ、したがって親水性膜を横切る蒸気圧勾配を高め、これによって膜の水蒸気透過速度を増大させるので、凝縮表面の効率は、水蒸留器の最適性能に関して極めて重要である。
【００２６】
気流が表面２８からの水の浸透気化を促進するときに、親水性膜ベース１４はより効率的により多くの水蒸気を通過させることが分かった。したがって、集水井戸１６に集められた飲料水２９（すなわち凝縮水）の蒸発、または一般に室からの水蒸気の漏れを防ぐため、ドーム状外側セクション１２は不浸透性の熱吸収層であることが好ましい。さらに、熱を吸収するようにドーム状外側層１２を実際に設計すると、室２０の内部に、親水性膜ベース１４の表面２８での浸透気化プロセスの速度の増大を促進する自然の対流が確立される可能性がある。
【００２７】
室内部の冷却を促進するため、特定の一実施形態は、ドーム状外側セクション１２の外側に水吸収性表面２７を使用し、そのため、太陽の作用による吸着水の蒸発によって、水蒸留器１０の内部、とりわけ室２０の上部領域に冷却効果が生まれる。
【００２８】
好ましい一実施形態では、水蒸留器１０の汚染水源２４の表面よりも上に浮いている部分が全体に半球状であり、親水性膜ベース１４全体が常に完全に水中に沈んでいる。
【００２９】
水蒸留器１０の内部の相対的な高さに関しては、集水井戸１６が、親水性膜ベース１２の表面よりも高くなっている。増大されたリップのため、集水井戸１６の中に凝縮水として最終的に集められたきれいな飲料水は、水蒸留器１０が波の作用などで不利な影響を受けても側面からそれほどこぼれない。
【００３０】
図２に示した水蒸留器１０の下面図を簡単に参照すると、集水井戸１６の好ましい形状が示されている。水中で水蒸留器の向きをほぼ垂直に保つために水蒸留器１０にバラストを提供する一方で、集水井戸１６は、３つの目的を有するいくつかの羽根２３を含むことが好ましい。第１に、表面積の増大によって、ヒートシンクとしての集水井戸１６の効率が増大する。第２に、表面積の増大によって、凝縮および貯水のための領域が増大する。第３に、集水井戸を（部分的にまたは好ましくは完全に）沈めたときに、羽根が、水蒸留器１０の安定性を向上させる。
【００３１】
水蒸留器１０は、親水性膜ベース１４が使用中に常に水源２４の表面よりも下にあるような重量であることが好ましく、これは、集水井戸１６の実際の重量および集水井戸１６に凝縮水として集められたきれいな飲料水の重量によって（少なくとも部分的に）達成される。有益なことには、親水性膜ベース１４が常に水面下にあると、物体は一般に水蒸留器１０の縁に衝突し、したがってドーム状外側層１２と接触するので、膜の損傷および刺傷の可能性が低減する。さらに、親水性膜ベース１４が常に水面下にあると、膜の効率（すなわち性能）は、最適化されずとも少なくとも向上する。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態の水蒸留器１０の設計は、水蒸留器を、外洋、港、河川、氾濫原、保護された潟湖を含むいくつかの環境で使用するのに適したものにする。この設計の特徴は、水蒸留器が、ほぼ直立したまま波に乗る固有の能力を有することにある。代替として、永久的、または半永久的な蒸留器を、それらを配置する水体に対して固定して配置し、あるいは水体に対して固定はするが、（例えば潮汐のある水中で）水深の変化に適応して移動できるようにすることもできる。
【００３３】
要するに、凝縮水は、きれいな、例えば微生物学的にきれいな飲料水の供給を表す。
【００３４】
室２０の膨張は、圧縮ガスを使用して、または吹いて膨らますことによって達成することができる。十分な量の飲料水を生産する工業サイズの膜の場合には明らかに、前者の機構のほうが好ましく、これによって微生物などが室に侵入する機会も制限される。しかし、サバイバルパックに関しては、個人は一般に、おそらく救助の前の２、３時間または２、３日（せいぜい数時間または数日）しかパックを必要としないので、その人の微生物を含む空気による室２０の自己汚染はおそらく重要ではない。サバイバルキットに関しては、圧縮ガスを、集水井戸１６の中に始めからパッケージングされた小型のキャニスタによって供給することができる。永久的な蒸留器では室２０をあるいは、十分に膨張させた状態で構築することができる。
【００３５】
比較的に小さくコンパクトな水蒸留器構成に関する特定の設計オプションは、集水井戸１６の中に折りたたむことができる伸縮自在の中心シャフト２２を利用する。残りのドーム状外側セクション１２および膜ベース１４は、例えば操作して定位置にクリップで留めて構造上必要な剛性を得るナイロンロッドを用いて半剛性にする。
【００３６】
サイズに関しては、予想される配置面積に依存する。サバイバルパックについて言えば、人間は、（肉体的な活動、温度および湿度に応じて）１日当たり約０．５リットルから約８リットルの間の飲料水を必要とする。したがって、集水井戸１６の容積は、この要件を反映したものでなければならない。ただし、パッケージング要件によって強制される場合もある。したがって、サバイバルキットの集水井戸の容量は、０．５リットルから８リットルであることが好ましく、１リットルから４リットルであることがより好ましく、約２リットルから３リットルであることが最も好ましい。例えば洪水時の軽減努力のためには明らかに、より扱いにくい他のサイズを使用することができる。同様に、親水性膜ベースの面積および凝縮室のサイズは、集めようとする水の量を反映するように選択しなければならない。同様の因子は、選択する親水性膜の性質および厚さにも影響し、本明細書に開示の任意選択の特徴の組込みにも影響する。
【００３７】
１日当たり数立方メートルの飲料水を供給することができる水蒸留システムでは、かなり大きな集水井戸１６が必要となると思われる。しかし、興味深いことに、本発明の水蒸留器１０の（効果的な気密室２０から生じる）本来の浮力は、凝縮され集水井戸１６に集められた飲料水の簡単な抜取りを依然として可能にする。実際、水を凝縮させ、その後に集水井戸１６へ集水しても、水蒸留器は、アルキメデスの原理によって浮き続ける（さらに重心が下がることによってますます安定する）。本発明の好ましい実施形態に基づいて構築されたより大きな水蒸留器では、（ポンプを使用した）定期的な、または連続的な抜取りプロセスを使用することができ、集水井戸１６のサイズはそれに応じて調整される。
【００３８】
特定の一実施形態では、水蒸留器の「天蓋セクション」から集水井戸１６を選択的に取り外して、再使用の前に簡単に保守、洗浄することができる。したがって集水井戸１６は、ねじ山およびＯ−リングシール配置を含むことができる。
【００３９】
水栓１８を通した飲料水の抜取りに関して、集水井戸１６に集められた飲料水は、実際の出口のまわりに蓄積された破片および成長した藻類を相互接続された排水管から除去する働きをするある限定された水頭を提供する。
【００４０】
図３に、任意選択で図１の基本水蒸留器１０に（単独でまたは一緒に）含めることができる可能ないくつかの設計インプリメンテーションおよび変形が組み込まれた水蒸留器３０の部分断面図を示す。例えば図３の水蒸留器３０は、水蒸留器３０の周囲を取り囲む外部緩衝装置３２を有する。理解されるように、緩衝装置３２（これは、ゴムなどの耐久性材料から膨らまし、または作ることができる）は、水蒸留器３０と衝突した破片をはねのける働きをし、したがって水蒸留器を保護する。さらに特定の一実施形態では、改良型の親水性膜ベース３４が、膜の水源２４との接触面積を大幅に増大させるうね、線条またはしわを含み、これによって、その全体物理サイズに対する水蒸留器の効率が向上する。特定の一実施形態では、膜の表面３８（または膜の支持面）から気泡が常に上がるように親水性膜ベース３４に段がつけられる。さらに、傾斜した親水性膜ベース３４では、一般に集水井戸１６に隣接した傾斜の底に２次排水口４０を含めると有益である。これらの２次排水口４０（やはり一方向弁を有することが好ましい）を選択的に開いて、集水井戸１６の中ではなしに膜の上に集められた凝縮水を排出することができる。
【００４１】
集水井戸１６はさらに、親水性膜の表面３８に偶然に貯まった凝縮水が集水井戸１６に入ることを防ぐために外側を向いたリップ４２を含むように示されている。集水井戸１６はさらに、集水井戸１６からの溢水を制限する一般にガーゼ状構造の内部リップ４４を含むことができる。
【００４２】
図４に、例えば図１の水蒸留器の可能な内部構造を示す。第１に、凝縮を最大にするため室２０は、複数の凝縮トレイ（または表面）５０〜５５を含む。凝縮トレイ５０〜５５は、ドーム状外側セクション１２の材料から一体的に形成されることが好ましい。少なくとも１つの主凝縮トレイが水蒸留器１０の半径をほぼ横断することが好ましい。この主トレイは一般に室２０の底面の近くに位置する。主凝縮トレイ５０よりも上方に配置された２次凝縮トレイ５１〜５４は、凝縮した水滴が主凝縮トレイ上に落下することを促進し、主凝縮トレイ自体は、水滴が集水井戸１６に落下することを促進する。様々の凝縮トレイ５０〜５５はさらに、ドーム状外側セクション１２の内面５８から落下する水滴を捕え、したがって集水井戸１６への凝縮水の集水を統合する働きをする。
【００４３】
主凝縮トレイ５０は、水滴が形成され、主凝縮トレイ５０の上側と下側の両方に沿って水滴が転がり落ちるのを促進するいくつかのゆるやかな曲線によって形づくられる。ただし水滴は親水性膜ベース１４上には落ちない。
【００４４】
ドーム状外側セクション１２の外縁のすぐ近くに位置するフィードトレイ５５が主凝縮トレイ５０と協力し、これと部分的に重なり合っている。フィードトレイ５５も、主凝縮トレイ５０と同様に、水滴が形成され、その上側と下側の両方に沿って転がり落ちるのを促進するいくつかのゆるやかな曲線によって形作られている。
【００４５】
水蒸気は、ドーム状外側セクション１２の内面に凝縮する。ドーム状外側セクション１２の内面はなめらかにし、あるいは水蒸気の凝縮を促進するように設計する（例えばとげとげした、または毛で覆われた、または綿毛で覆われた表面を提供する）ことができる。したがって、内面に形成し重力の作用で落下する水滴は、主凝縮トレイ５０、フィードトレイ５５またはドーム状外側セクション１２の外縁に沿って形成された溝６０によって捕捉される。外側セクション１２の内面は任意選択で、凝縮水がこれらの集水手段に直接に流入するのを促進するように形づくることもできる。ドーム状外側セクション１２の側面を転がり落ちる水滴は明らかに、溝６０の中に直接に落下する。その上に凝縮した水滴が溝６０に確実に落下するように、フィードトレイ５５も溝の上方で終端する。溝に入った水は、周期的に配置された開いたといなどの幅の狭いフィード経路または水路６２を介して集水井戸１６に送られる。有効な凝縮表面として働かないように、フィード経路の面積は最小限に抑えられる。ただしフィード経路は、その下側に形成された水滴が、親水性膜ベース１４上ではなく集水井戸１６に転がり落ちるように形作られる。
【００４６】
明瞭にするため、図４には、凝縮トレイの内部構造の片側だけを示した。しかし、概して凝縮水が親水性膜ベース１４上に落ちるのを防ぎ、集水井戸１６の中に貯まるようにするさまざまな凝縮トレイおよび水路／溝が配置される。凝縮トレイ５０〜５５の働きをさらに向上させるためには、凝縮トレイを（集水井戸１６の構造によって実現される）ヒートシンクに連結し、良好な熱伝導率を有する材料から作ることが好ましい。しかし、後者の要件は一般に重量とトレードオフの関係にある。
【００４７】
図５に、図１の基本水蒸留器構造または本明細書に記載のより精巧な構造に組み込むことができる追加の任意選択の特徴を示す。
【００４８】
水蒸留器の全体的な構造安定性を向上させるため、水蒸留器の外縁と集水井戸１６の間にガイドライン７０を連結する（例えば選択的に取り付ける）ことができる。さらに、サイズの増大につれ、水蒸留器（例えば集水井戸１６の底）から海錨などへテザーライン（ｔｅｔｈｅｒ ｌｉｎｅ）７２を提供したほうが有益な場合がある。任意選択でこのテザーライン７２に、集水井戸１６から水を除去するダクトの働きをさせることができる。
【００４９】
中心シャフト２２に機械的に連結され、内部ファン７６を適当なスピンドルを介して駆動するように配置された回転羽根７４を使用することによって、可能な他の設計変形を実現することができる。構造全体の機構の複雑さは増大するものの、室２０の内部、および室２０と集水井戸１６の間の高湿度空気の循環速度が向上し、これに対応して凝縮が促進され、親水性膜の表面の気流が改善され、したがってそこからの浸透気化が増大する。このような機械的配置は外部電源を必要とせず、単に、海岸地方でしばしば経験する風に依存する。波力または太陽エネルギーによって駆動されるものなど、他の形態のファン７６を使用することもできる。内部ファン７６は一般に、室２０の内部で、具体的には凝縮表面および集水井戸１６に向かって、これらを横切って、かつこれらを通して空気を循環させるように配置される。
【００５０】
図６に示す任意選択の特徴を、図１（または他の図）の基本水蒸留器配置に組み込むこともできる。図６の特定の詳細は、ポンプ配置８０および好ましい集水井戸（または容器）８２の断面図を示す。以前に指摘したとおり、集水井戸８２は、親水性膜ベース１４の実質的に水平な基準面よりもわずかに高いリップを有する。図６の特定の実施形態はさらに、集水井戸８２の底よりもわずかに高い位置に少なくとも１つの水栓８４〜８６を含む。水栓（このケースでは複数の水栓）は、ポンプ配置８０に接続されたパイプ網８８に接続する。パイプ網内の飲料水は、（もしあれば）周囲の水の冷却効果および放熱能力から利益を得ることができることを理解されたい。
【００５１】
図７に、別の供給リザーバを含む、本発明を具体化した水蒸留器１００を示す。構造原理は以前に一般的に論じたが、この実施形態は、親水性膜ベース１４に連結した実質的に不浸透性のリザーバ（またはバッグまたはポーチ）１０２を含む。不浸透性リザーバ（またはバッグ）１０２は、汚れた、また汚染された水をそこから入れることができる入口１０４を含む。不浸透性リザーバ（またはバッグまたはポーチ）１０２は一般に柔軟であり、そのため、地面などの表面と圧力接触させると、汚れた、また汚染された水を親水性膜ベース１４に対して押しつける。ほぼ水から成る尿を使用して、不浸透性リザーバ（またはバッグまたはポーチ）１０２を日々ベースで満たすことができ、親水性膜が、水蒸留器１００から飲料または無菌水の供給を保証するので、この実施形態は特に、砂漠サバイバルキットに関して適用可能である。使用時、高い日中温度が、親水性膜ベース１４を通した高い浸透気化速度を促進するように、リザーバ１０２は夜明け前に満たしておかなければならない。次いで、ドーム状外側セクション１２をはるかに低い夜間温度に暴露して、一晩かけて水分凝縮を促す。例えば、冷却効果が最適化されるようにドーム状外側セクション１２に小さな空隙２０しか与えず、または、水蒸気が膜１４を通過するにつれてそれが膨張するように最初は収縮した膨張可能な構造を使用して空隙２０を生み出すことによって、このシステムをさらに最適化することができる。代替または追加の最適化方法は、不純な水の一部を使用してドーム状外側セクション１２の外面から蒸発させて、その内部を冷却し、したがって凝縮を促進する方法である。
【００５２】
図８は、本発明のさまざまな実施形態の設計概念を具体化した水蒸留器２００の代替構造である。この場合、水蒸留器２００の構成が（図１に対して）逆さになっている。円錐形またはボウル形の不浸透性ベース２０２が、親水性膜２０４によって密封されて、湿気囲い２０を提供する。円錐形またはボウル形のベース２０２の底は、親水性膜２０４を通して浸透気化した凝縮水蒸気を集める集水井戸１６に接続する。中心シャフト２２はここでも、凝縮表面と構造支持の両方を提供する。使用時、水蒸留器２００は完全に沈めることが好ましい。ただし親水性膜２０４は、わずかに高い水温によって膜を通した浸透気化が助けられる水面のすぐ下に位置することが好ましい。親水性膜２０４を劣化から保護するため、保護スクリーン２０６または基板を、親水性膜２０４に近接または接触させて配置する。したがって汚染水は、親水性膜２０４の表面と保護スクリーン２０６の間を流れることができる。緩衝装置の働きもする浮上補助装置２０８を、水蒸留器２００の外縁に沿って提供することができる。
【００５３】
凝縮水が（重力の作用で）集水井戸１６に向かって移動するのを常に促進し、一方で、相対的に冷たい汚染水２４にほぼ（全体でない場合）沈めることから利益が得られるので、図８の倒立設計は有利である。したがって、熱は、水蒸留器から効果的かつ効率的に放出され、凝縮プロセスは改善される。実際、円錐形またはボウル形ベース２０２の放熱能力のため、凝縮は主に、円錐形またはボウル形ベース２０２の内面（およびこのヒートシンクに直接に連結された他の表面）で起こる。円錐形またはボウル形ベース２０２は、金属などの良好な熱伝導特性を有する材料から作られることが好ましい。容易に理解されるように、図８には、図２から６の任意選択のさまざまな設計特徴を単独でまたは組み合せて含めることができる。
【００５４】
親水性膜２０４に関しては、その表面から集水井戸１６に向かって凝縮水を導くために、その輪郭を凸形または凹形に傾斜させることができる。したがって親水性膜２０４は常にほぼ乾いた状態を保ち、一般に、室２０の内部で最も温度の高い表面となる。
【００５５】
本開示の文脈において、本発明のさまざまな実施形態の水蒸留器で使用される親水性膜は親水性ポリマーから作られる。用語「親水性ポリマー」は、国際標準化機構の仕様ＩＳＯ６２（アメリカ材料試験協会の仕様ＡＳＴＭ Ｄ５７０に相当）に基づく、室温の液体水と接触したときに水を吸収するポリマーを意味する。
【００５６】
親水性ポリマーは、１種類のポリマーまたはいくつかの種類のポリマーのブレンドとすることができる。この親水性ポリマーは例えば、イー・アイ・デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー社からＨＹＴＲＥＬ（登録商標）の商品名で販売されているポリマーなどの、コポリエーテルエステルエラストマー、または２種以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物とすることができる。あるいはこの親水性ポリマーを、フランス国パリのエルフ・アトケム・カンパニー（Ｅｌｆ−Ａｔｏｃｈｅｍ Ｃｏｍｐａｎｙ）社からＰＥＢＡＸ（商標）の名称で販売されているポリマーなどの、ポリエーテルブロックポリアミド、または２種以上のポリエーテルブロックポリアミドの混合物とすることができる。他の親水性ポリマーには、ポリエーテルウレタンまたはその混合物、ポリビニルアルコールのホモポリマーまたはコポリマーおよびそれらの混合物が含まれる。上記のリストは網羅的なものではなく、単に親水性膜の可能な選択の例を挙げたに過ぎない。
【００５７】
本発明の水蒸気透過向けに特に好ましいポリマーは、多数の繰返し長鎖エステル単位およびエステル連結を介して接合された短鎖エステル単位を有するコポリエーテルエステルエラストマーまたは２種以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物である。長鎖エステル単位は下式で表される。
【００５８】
【化１】

【００５９】
短鎖エステル単位は下式で表される。
【００６０】
【化２】

【００６１】
上式で、
ａ）Ｇは、数平均分子量４００〜４０００のポリ（アルキレンオキシド）グリコールから末端のヒドロキシル基を除去した後に残る二価遊離基、
ｂ）Ｒは、分子量約３００未満のジカルボン酸からカルボキシル基を除去した後に残る二価遊離基、
ｃ）Ｄは、分子量約２５０未満のジオールからヒドロキシル基を除去した後に残る二価遊離基であり、
任意選択で、
ｄ）コポリエーテルエステルは、コポリエーテルエステルの長鎖エステル単位に組み込まれた、コポリエーテルエステル全重量の０〜６８重量パーセントの酸化エチレン基を含み、
ｅ）コポリエーテルエステルは、約２５〜８０重量パーセントの短鎖エステル単位を含む。
【００６２】
この好ましいポリマーフィルムは、薄くて強い膜、フィルムおよびコーティングとして製造するのに適している。好ましいポリマー、コポリエーテルエステルエラストマー、およびそれを作る方法は、当技術分野で周知であり、例えば、米国特許第４，７２５，４８１号にはＷＶＴＲ３５００ｇ／ｍ²／２４時間のコポリエーテルエステルエラストマー、米国特許第４，７６９，２７３号にはＷＶＴＲ４００〜２５００ｇ／ｍ²／２４時間のコポリエーテルエステルエラストマーが開示されている。
【００６３】
本発明の文脈において、市販の親水性ポリマーを膜として使用することは可能だが、水蒸留器は飲料水を供給する目的で設計されるので、できるだけ高いＷＶＴＲを有することが明らかに好ましい。本発明では、厚さ２５ミクロンのフィルムについて、温度２３℃、相対湿度５０％、速度３ｍ秒^-1の空気を使用してで測定したＷＶＴＲが３５００ｇ／ｍ²／２４時間を超える市販の膜を使用することが最も好ましい。
【００６４】
ポリマーは、抗酸化安定剤、紫外線安定剤、加水分解安定剤、染料、顔料、充てん材、抗菌剤などと混合することができる。
【００６５】
膜をフィルムの形態にする十分に確立された有用な方法は、商用押出しライン上でのポリマーの溶融押出しである。簡単にはこれは、ポリマーをその融点よりも高い温度まで加熱し、平たいまたは環状のダイを通してそれを押し出し、次いで、ローラ系を使用してフィルムを注型し、または溶融物からフィルムをブロー成形することを伴う。有用な支持材料には、織、不織、または接着紙、布およびスクリーン、ならびに水分に対して安定なポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス繊維などの無機ポリマーが含まれる。これらの支持材料は強度を高め、膜を保護する。支持材料は、親水性ポリマー膜の片面だけに配置し、または両面に配置することができる。片面にだけ配置するとき、支持材料は、水と接触させて、または水から離して配置することができる。支持材料は一般に、物理的損傷から膜が最もよく保護されるように水蒸留器の外面に形成される。
【００６６】
特定の理論に拘束されずとも、懸濁または溶解した不純物、固形物およびエマルジョンを含む水と接触したときにコーティングまたは非支持膜の形態で実現される親水性膜の浄化効果は、水などの高双極性分子のほうが、ナトリウムイオン、塩化物イオンなどのイオンに比べて優先して吸収され、膜またはコーティングを横切って輸送されるために生じると考えられる。さらに、膜を横切る蒸気圧勾配が存在するとき、水は、水源と接触していない側から解放され、解放された水は凝縮されて、飲料水、および農業、園芸、工業用などの用水となる。
【００６７】
本発明の好ましい実施形態で使用される親水性膜に関して、水透過特性は一般に、標準試験手順ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５−Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ＢＷ（試験手順ＡＳＴＭ Ｅ９６−６６−Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ＢＷの名称で以前から知られている）を使用して決定される。これらの標準試験手順は、膜の水蒸気透過速度（ＷＶＴＲ）を決定するのに使用され、水不浸透性カップに基づくアセンブリ（すなわち「Ｔｈｗｉｎｇ−Ａｌｂｅｒｔ Ｖａｐｏｍｅｔｅｒ」）を使用する。水不浸透性カップは、カップの頂部から約１９ミリメートル（詳細には１９ｍｍ±６ｍｍ）下方まで水を含む。測定する試験材料から作られた水浸透膜でカップの口を、水面と膜の間に空隙を残して水密封止する。Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ＢＷでは、次いでカップを逆さにして、水が試験膜と直接に接触するようにする。この装置を、温度および湿気が制御された試験室に入れ、次いで、膜の外側を横切って指定の速度で空気を流す。実験は２連で実施する。カップ／水／膜アセンブリの重量を数日にわたって測定し、結果を平均する。水蒸気が膜を透過する速度を、「水蒸気透過速度」と呼び、これは、所与の膜厚、温度、湿気および風速でのアセンブリの平均的な減量として測定され、単位膜表面積、単位時間あたりの質量損失として表現される。ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５−Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ＢＷに基づく膜またはフィルムのＷＶＴＲは一般に、厚さ２５ミクロンのフィルムについて、風速３メートル／秒（３ｍ秒^-1）、気温摂氏２３度（２３℃）、相対湿度５０パーセント（５０％）で測定される。
【００６８】
有利には、ＨＹＴＲＥＬ（登録商標）などの親水性ポリマーを使用して膜ベース１６を提供する場合、浸透気化した水蒸気は無菌である。
【００６９】
本発明のさまざまな実施形態の水蒸留器は一般に製造が単純であり、必要あらばすぐに配置することができる。さらに、単純な機械設計は、水蒸留器を比較的に低コストにする。添付図に示したさまざまな設計変形間でさまざまな好ましい任意選択の特徴を混合し、適合させることができる。
【００７０】
本発明の発明の概念を具体化したそれぞれの水蒸留器によって（例えば２４時間のうちに）集められる水の量が、最適化された実験室条件下で得られる以上の単位表面積あたりの収量を与えるとは思えない。しかしこれは、それぞれの水蒸留器の膜の表面積を増大させ、同時に、例えば室内の空気からの水蒸気の除去を効果的にするなどして水蒸留器の性能をできる限り最適化することによって矯正することができる。
【００７１】
集水技法に関しては、本発明のさまざまな態様に基づく多数の水蒸留器を連結する、すなわち個々の室間を相互接続する通路を設けるか、または凝縮した飲料水を一元的に集め、抜き取る、すなわち水栓から取り出すことができる。
【００７２】
本発明の水蒸留器を浮かべることは有益だが、所定の位置に保持する（汚染水源２４に完全に、または部分的に沈める）ことも同じように望ましい。実際、永久設置する水蒸留器では、水蒸留器を浮くように作る必要はなく、水蒸留器を例えば潮汐線よりも下方に常に配置することができる。実際、水蒸留器を完全に沈めると、凝縮プロセスは、周囲の汚染水源２４によって水蒸留器内に達成される低い全体温度から利益を得ることになる。
【００７３】
もちろん、以上の説明は例示に過ぎず、本発明の範囲内で詳細の変更が可能であることを理解されたい。例えば、本発明の水蒸留器は形状もサイズも一切制限されない。実際、水の取出しは、１つまたは複数の出口を使用して達成することができ、この出口設計は理想的に、集水井戸１６から取り出された飲料水が集水井戸１６に再び入らず、外部の汚染物質が集水井戸１６に入らないことを保証する。後者の点では、水栓を二口にすることができる。低水位の地域で水蒸留器を使用する場合には、集水井戸を相当に平らにして、水源２４と親水性膜ベース１４の間の接触が最適化されるようにすることが予見される。水との接触を最適化するため、明らかに、沈められたベース全体を膜材料から作ることが好ましいが、蒸留器の下面（すなわちベース）の実質的な割合だけが水源２４と接触するように、親水性膜を、（強度目的の）不浸透性枠組みの中に組み込むことができるので、これは、明らかに設計オプションである。
【００７４】
本明細書に開示した水蒸留器配置の文脈では、定義した親水性膜以外の材料を使用することができる。しかし他の材料は一般に、時間の経過とともに目詰まりし、透過をブロックする。そのため、無孔質の蒸気浸透膜が明らかに好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の根本原理を具体化した水蒸留器を本来の位置で示した概略図である。
【図２】 図１の水蒸留器の下面図である。
【図３】 図１の基本水蒸留器に組み込むことができるさまざまな好ましい任意選択の特徴を有する水蒸留器の部分断面図である。
【図４】 図１の基本水蒸留器または図３の水蒸留器に組み込むことができる滴下トレイ、排水路、広い凝結表面を有する水蒸留器の部分断面図である。
【図５】 図１の基本水蒸留器あるいは図３または４の水蒸留器に組み込むことができるさまざまな好ましい任意選択の特徴を有する水蒸留器の部分断面図である。
【図６】 先行図の任意選択の好ましい実施形態のポンプ配置および集水容器を示す図である。
【図７】 別の供給リザーバを含む、本発明を具体化した水蒸留器を示す図である。
【図８】 本発明のさまざまな実施形態の設計概念を具体化した水蒸留器の代替構造である。

Claims (33)

1. 実質的に不浸透性の上部セクション、および前記実質的に不浸透性の上部セクションに連結されたベースを有する室を備え、前記ベースが、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔親水性膜から形成され、
   さらに、水浸透気化プロセスによって室の内部に凝縮した水滴がその中に集まる開口を有する集水井戸を備え、前記集水井戸がベースの内部に位置し、そこから一般に外側へ延び、前記無孔親水性膜は、ベースを介して液体水を吸収し、そして無孔親水性膜を横切って水分子を輸送し、室中に水蒸気が現れることを特徴とする水蒸留器。
2. 室の内部に形成された複数の凝縮トレイをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
3. 前記複数の凝縮トレイによって水滴が集水井戸に輸送されることを特徴とする請求項２に記載の水蒸留器。
4. 前記不浸透性上部セクションが水滴が凝縮する内面を有し、該水蒸留器が、さらに、前記内面に形成された水滴を集めるように構成されるとともに、前記形成された水滴を集水井戸の中に導くように配置された外縁溝および水路配置を含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
5. 前記集水井戸に連結されるとともに、室の中にほぼ上方へ延びる中心シャフトをさらに含み、該中心シャフトが、実質的に不浸透性の前記上部セクションの構造支持をするか、凝縮表面となるか、そして熱経路となるかのうちの少なくとも１つの働きをすることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
6. 該水蒸留器の作動時に、前記集水井戸がヒートシンクの働きをすることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
7. 前記集水井戸が複数の羽根を含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
8. 前記ベースの無孔親水性膜に表面積を増大させるためにしわが付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
9. 前記ベースが傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
10. 前記集水井戸が外側を向いたリップを含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
11. 前記集水井戸が、集水井戸からの溢水を制限する一般にガーゼ状構造の内部リップを含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
12. 前記集水井戸の開口が、一般に、最も高い公称ベース面よりも上に位置することを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
13. 前記ベースが排水口を含むことを特徴とする請求項９に記載の水蒸留器。
14. 該水蒸留器の外縁を前記集水井戸に連結するガイドラインをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
15. 機械駆動のファンを前記室内に備えることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
16. 前記無孔親水性膜が、少なくとも４００ｇ／ｍ²／２４時間の水蒸気透過速度を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
17. 前記無孔親水性膜が、少なくとも１０００ｇ／ｍ²／２４時間超の水蒸気透過速度を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含むことを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
18. 前記上部セクションと前記ベース１４の交差部が外部緩衝装置によって保護されていることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
19. 実質的に不浸透性のポーチおよび前記ベースから形成されたリザーバをさらに備え、該リザーバが、前記無孔親水性膜を通して浸透気化させるための汚染水を受け取り、貯蔵するように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の水蒸留器。
20. キノコ形水蒸留器であって、
    水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔親水性膜ベースに連結されている実質的に不浸透性のドーム状上部セクションから形成されている湿潤室と、
    前記水浸透気化プロセスによって前記湿潤室の内部に凝縮した水滴がその中に集まる開口を有し、ベースの内部に位置し、そこから一般に下方へ延びて、前記無孔親水性膜ベースは、液体水を吸収し、そして無孔親水性膜を横切って水分子を輸送し、湿潤室中に水蒸気が現れる熱伝導性集水井戸と、
    そして
    該キノコ形水蒸留器から飲料水を抜き取るために前記熱伝導性集水井戸に連結されている水栓と、
    を備えたことを特徴とするキノコ形の水蒸留器。
21. 水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔親水性膜ベースに連結された実質的に不浸透性の上面を有する湿潤室を形成すること、
    開口を有する集水井戸を前記湿潤室の内部に配置すること、
    前記無孔親水性膜ベースに近接して汚染水源を配置し、これによって前記無孔親水性膜ベースは、液体水を吸収し、そして無孔親水性膜を横切って水分子を輸送し、湿潤室中に水蒸気が現れるように蒸気圧勾配を形成すること、および
    前記湿潤室の内部で凝縮した水を前記開口の中に導くこと
    を含むことを特徴とする汚染水浄化方法。
22. 前記湿潤室の内部に発生した熱を前記集水井戸を介して前記水源の中に逃散させることをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の汚染水浄化方法。
23. 前記湿潤室の内部で凝縮した水滴を前記無孔親水性膜ベースから除去して、前記集水井戸の中に導くことをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の汚染水浄化方法。
24. 前記集水井戸の内部に集められた水を定期的に抜き取ることをさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の汚染水浄化方法。
25. 前記無孔親水性膜ベースが、少なくとも４００ｇ／ｍ²／２４時間の水蒸気透過速度を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含むことを特徴とする請求項２１に記載の汚染水浄化方法。
26. 前記無孔親水性膜ベースが、少なくとも１０００ｇ／ｍ²／２４時間超の水蒸気透過速度を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含むことを特徴とする請求項２１に記載の汚染水浄化方法。
27. 実質的に不浸透性のセクションと、水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔親水性膜との間に形成された湿潤室と、
    前記水浸透気化プロセスによって前記湿潤室の内部で凝縮した水滴がその中に集まる開口を有し、前記湿潤室のベースの近くに位置する熱伝導性集水井戸であって、前記無孔親水性膜は、ベースを介して液体水を吸収し、そして無孔親水性膜を横切って水分子を輸送し、湿潤室中に水蒸気が現れる熱伝導性集水井戸と、
    を有することを特徴とする水蒸留器。
28. 前記実質的に不浸透性のセクションが該水蒸留器の側壁およびベースを提供し、これによって前記集水井戸の中に水滴を集める働きをすることを特徴とする請求項２７に記載の水蒸留器。
29. 前記無孔親水性膜が前記湿潤室に天井を提供していることを特徴とする請求項２７に記載の水蒸留器。
30. 前記無孔親水性膜が傾斜していることを特徴とする請求項２９に記載の水蒸留器。
31. 前記無孔膜に近接した保護スクリーンをさらに備えることを特徴とする請求項２７に記載の水蒸留器。
32. 水を通過させることにより水の浸透気化プロセスをサポートする無孔親水性膜に連結された実質的に不浸透性の表面を有する湿潤室を形成すること、
    開口を有する集水井戸を前記湿潤室の底面の近くに配置すること、
    汚染水源を前記無孔親水性膜と接触させ、これによって前記無孔親水性膜は、液体水を吸収し、そして無孔親水性膜を横切って水分子を輸送し、湿潤室中に水蒸気が現れるように蒸気圧勾配を形成すること、および
    前記湿潤室の内部で凝縮した水を重力の作用で前記開口の中に導くこと、
    を含むことを特徴とする汚染水浄化方法。
33. 前記接触段階が前記無孔親水性膜よりも上方で起こることを特徴とする請求項３２に記載の汚染水浄化方法。

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