JP5918110B2 - 取水装置及び取水方法 - Google Patents

Description

本発明は、大気中から水分を取出す取水装置に関するものであり、外気温に応じて取入れられる大気の風量又は風速を制御すると共に、熱交換器の冷却能力に応じて大気を効率よく冷却して水分を取出せるようにしたものである。
さらに、熱交換器の冷却能力をより効率よくするため、逆浸透膜浄水器からの排水をコンプレッサーの冷却に利用して廃棄水の生じないリサイクルを実現した取水方法を提供するものである。

従来、大気中から水分を取入れ飲料水等の生活用水に用いる装置は、種々提案されてきた。それぞれ造水装置、取水装置或いは給水装置の名称で、大気の温度と熱交換器による冷却温度との温度差により凝縮して取出している。

特開昭５３−１０８６５１公報 凝縮型空気乾燥装置 特開昭５７−３８９２９公報 造水装置 特許第４５９３６９８号公報 取水装置 特表２００２−５０５４０９公報 造水装置 特開２００４−１９０２３５号公報 大気中の水分を用いた浄水器 特開２０１０−１０６４８６号公報 給水装置

しかし、風量（風速）の制御と冷却器の制御を個別的に制御するだけではなく、大気取入コントローラーと冷却コントローラーとが連動し、熱交換器の冷却能力を十分に働かせなくては、効率よく水分を取り出すことができない。

上記の課題を解決するため、外気温に応じて吸気ファンで取水機構に取入れられた大気の風量又は風速を制御する大気取入コントローラーと、この大気取入コントローラーと連動する冷却コントローラーとを設け、中央処理装置（ＣＰＵ）によって熱交換器による冷却温度を制御し、効率のよい熱交換器の冷却能力によって取水を実現するようにした。
「熱交換器の冷却能力」は、外気温、取水機構に取入れられる大気の風量（風速）及びコンプレッサーの冷媒で決まる熱交換器による冷却温度により一定ではない。
本発明では、大気取入コントローラーと連動する冷却コントローラーを設け、熱交換器のステンレスフィンの表面温度を中央処理装置により制御して、効率のよい熱交換器の冷却能力によって、大気中の水分を取出すようにした。
表２に示したのは、外気温と取入れられる大気の風量（風速）とから取水効率のよい熱交換器による冷却温度の範囲を示した経験値である。

さらに、取水機構から取出された大気中の水分を一旦貯水タンクへ貯留し、加圧ポンプにより逆浸透膜浄水器へ送り、この浄水器を通して浄水し飲料水としている。この逆浸透膜浄水器から出る排水を、コンプレッサーの冷却に利用することにより、熱交換器の冷却能力をより向上させて、効率の良い水分の取出を実現するものである。

本発明では、吸気ファンとコンプレッサーとを、それぞれの制御基盤で制御するほか、外気温との関係で大気取入コントローラーにより取水機構へ取入れられる大気の風量（風速）規制及び冷却コントローラーにより効率のよい熱交換器の冷却能力を制御できるようになっている。

さらに、取水機構により取出した水分を逆浸透膜浄水器で浄水して飲料水とする他、逆浸透膜浄水器からの排水を廃棄することなく、この排水をコンプレッサーの外周に巻きつけられた銅管を通すことにより、コンプレッサーの温度上昇を抑え、冷媒温度を調節し熱交換器の冷却能力を高め、性能維持が極めて有効となった。

従って、従来より１５〜２５％程度コンプレッサーの冷媒による熱交換器の冷却速度が速くなり、大気中から得る水滴も同じく１５〜２５％効率よく取水することができるようになった。（表３参照）

本発明の取水機構を示す説明図。 本発明の取水方法を示す説明図。

図１において、１は取水機構で、外気の温度センサー２を有し、空気中のゴミを取り除くフィルター３と、殺菌器４と、コンプレッサーを備えた熱交換器５と、一つ又は複数の吸気ファン６とを有している。

殺菌器４は、プラズマイオン発生器などを用い機器のまわり及び機器周辺の約６畳〜８畳程度の範囲でウイルス、バクテリアなどを殺菌するようになっている。
熱交換器５は、コンプレッサーを起動したとき、冷媒を圧縮して冷媒パイプへ送出する。冷媒パイプは、ステンレスフィンの表面を冷却し、熱交換器による冷却温度が決まる。

７は、大気取入コントローラーで、温度センサー２によって外気温を感知し、吸気ファンによって取入れられる大気の風量（風速）を制御するものである。

外気温３５℃で、湿度４５％のとき、コンプレッサーを備えた熱交換器５による冷却温度が一定の場合、吸気ファン６による大気の風量（風速）を小さくして効率を高めるようにした。

これは、３５℃の温風を熱交換器に当てることは、温度が上昇し、取水の効率が下がることになるので、吸気ファンによる大気の風量（風速）を小さくし、熱交換器による冷却温度を上げることなく、効率よく取水するものである。

また、外気温１５℃で湿度４５％の大気状態のとき、吸気ファンによる大気の風量（風速）を大きくして大量の外気を取り込むことにより、より多くの取水を得ることができる。外気温を感知する温度センサー２のデータDTを大気取入コントローラー７に送り、制御データDT1 を吸気ファン６に送る。

８は、冷却コントローラーで、大気取入コントローラー７と連動することにより効果を発揮する。外気温の変化に対応して、外気温が高くなれば熱交換器による冷却温度を下げ，外気温が低くなれば、冷却温度を適宜上げることにより、より効率よく取水できる。

９は中央処理装置（ＣＰＵ）であり、外気温の変化に応じて大気取入コントローラー７及び冷却コントローラー８を個別に制御する他、コンプレッサーの冷媒送り量で決まる熱交換器による冷却温度、冷媒の状況等の変化に応じて冷却コントローラーを制御し、効率のよい熱交換器の冷却能力をもつようになっている。

表２に示すように、外気温が１０℃、２０℃、３０℃、４０℃の場合、取入れられる大気の風量（風速）が強、中、弱強、弱と変化するとき、冷却器としての熱交換器の表面温度は０℃、−１．５℃、−４℃、−５℃とすることによって、効率のよい熱交換器の冷却能力を得ることを経験値として知った。
また、外気温が０℃以下の場合は、除霜ランプが点灯し、３０分後にコンプレッサーをＯＦＦにし、吸気ファンを強運転で１０分行うようにした。

図２は取水方法を示す経路である。
本発明では、外気温と熱交換器による冷却温度との温度差によって大気を冷却し、水滴を生成する。この水分は貯水タンク１０（１４リットル）に一旦貯水され、一定量貯水後、逆浸透膜浄水器１５に加圧ポンプ１３で送出し、ろ過浄水後、温水タンク１６又は冷水タンク１８に送水される。適宜飲料水として供給口１７より８５〜９５℃の温水として取出せるようにし、また供給口１９から冷水５〜１５℃を取り出せるようにした。

５は熱交換器で、コンプレッサー２２の起動により、冷媒を圧縮して冷媒パイプで熱交換器５へ送出し、ステンレスフィンの表面を冷却し、大気中から吸気ファン６により取入れられた空気を冷却して水滴をつくる。
１０は貯水タンクで、水滴を約１４リットル貯水できる。フロートスイッチ付きである。

１２は携帯バケツなどの水容器で、手動切替バルブ１１を作動して、災害時などに取水を取り出せるようにした。
１３は加圧ポンプで、貯水タンクの水を逆浸透膜浄水器１５に送り、ろ過させる。

１４はプレフィルターで、１０ミクロンセディメントフィルターと５ミクロンカーボンフィルターによって粗ごみを処理する。

１５は逆浸透膜浄水器で、メンブレンは０．０００１ミクロンの微細孔を持つ複合膜であり、バクテリア、ウイルス、重金属などの有害物を限りなく除去する。最後にはポストカーボンを設け、前記フィルターと共に４層構造のフィルターとなっている。
１６は温水タンクで、タンク周縁に４６０Ｗのヒートバンド１６aを設けて加熱可能とし、８５〜９５℃の熱湯を得る。

１８は冷水タンクで、周縁には冷却パイプ１８aを設け、冷媒を送り、冷水を得るようになっている。
冷水タンク１８には、温水タンク１６の熱湯が電磁弁（H）を介してポンプ２０により冷水タンクへ移入され、熱湯殺菌することができる。なお、タイマーで３分程度殺菌してから、貯水タンク１０へ流入させリサイクルさせる。

リサイクルは、一日一回熱湯殺菌方式を採用できる。これは深夜時間（例えば午前１時）になると、冷水タンク１８下の電磁弁（S）を開放して全ての貯水を放出する（時間設定）。次に満水状態（HL）にある温水タンク１６のヒーター１６aをONにし、タンク内の温水を再沸騰させ、例えば８０〜９０℃に達すると電磁弁（H）をONとし、ポンプ２０により、温水タンク１６から冷水タンク１８へ送水する。温水タンク１６で、温水がレベルLLになったことを検知後、電磁弁とポンプをOFFとする。

設定時間後（例３０分）、コンプレッサーを起動させ、冷却パイプ１８aに冷媒を送り、熱交換器のステンレスフィンが冷却され大気から冷水を造る。一度殺菌された水は、水温９℃以下になると菌の増殖が極端に低くなる。
冷水タンク１８内に流入する水は逆浸透膜浄水器によりろ過されているので、菌は除去されており、リサイクルが支障なく行われる。

逆浸透膜浄水器から生じる排水は、コンプレッサー２２に巻付けた銅管の中を通すことによりコンプレッサーを冷却し、熱交換器が安定的な冷却温度を維持し、安定した効率によって大気中から水滴を作り出すようになっている。なお、コンプレッサーの位置は貯水タンク１０と同レベルにあり、逆浸透膜浄水器の排水がコンプレッサー２２の銅管２４内に循環するようになり、コンプレッサーの冷却を継続するようになっている。

以下、殺菌方法について説明する。

５〜１５℃の冷水タンク部分で、一般細菌が多く発生するが、本製品では温水タンクからの熱水を冷水タンクに移送して行う熱湯殺菌と逆浸透膜浄水器による浄水作用を用いているので、ほぼ完全に菌の発生を１ｃｃ/１００個以内という水道法基準以下が得られ、ほぼ０にすることに成功した。
殺菌手段としては、塩素殺菌、熱湯殺菌がもっとも有効であり、銀、UVなどから比べると、数段殺菌能力がある。

本発明では、取水機構により取出された大気中の水分を一旦貯水タンクに貯留し、加圧ポンプで逆浸透膜浄水器へ送り、ろ過し浄水する手段と、ろ過された浄水を温水タンク又は冷水タンクへ送水する手段と、必要に応じて温水又は冷水として供給口から取出す手段と、冷水タンクに移送された浄水は、一定時間後又は随時電磁弁を経て貯水タンクへ還元するリサイクル手段と、前記逆浸透膜浄水器からの排水を廃棄することなく、熱交換器のコンプレッサーの外周に巻きつけた銅管を通して、コンプレッサーを冷却する手段とから成り、熱交換器の冷却能力を効率よく制御することを特徴としている。

本発明の取水方法によると、100% のリサイクルが実現できた。通常飲料水として使用する場合、（２０リットル/日）で、一切捨て水が発生しないようになっている。
通常は大気中から熱交換器によって、水温２５℃、湿度７０％で１２から１４リットル、また水温１０℃、湿度４０％で８から１０リットルを生成するが、災害非常時には、家庭用の災害救済手段を搭載し、池、一般河川、風呂の残り湯等を飲料水にするシステムを付設することができる。

この場合、水温２５℃の場合、２００ml/min ｘ ６０ ｘ ２４時間 で、２８８リットルが生成される。２リットルペットボトルに換算すると。１４４本分に匹敵する。
図中の符号２５は、熱交換器から冷却されて出てくる水滴を受けて貯水タンクに貯めるときのフィルターを示している。

本製品では、給水工事が一切不要であり、電源があれば、大気中より水を作ることができる。また災害時用の給水口を設けておけば、水道水を足して使用することができる。この場合、水道水と直結させるような水道工事を一切不要とした。従って、場所を選ばず、どこでも設置可能である。

本製品の原水は、熱交換器によって、温度差を利用して大気中から水分を取出しているので、蒸留水のようにカルシュウム、マグネシュウムのような硬度分が極めて少ない水であり、軟水である。軟水は、逆浸透膜の除去性能に与える負荷を大幅に軽減し、リサイクルを可能としている。

表１に示すように、本発明の原水は大気中の水分として常に１０PPM程度の水となる。原水を９７％除去率の逆浸透膜浄水器を使用してろ過した場合、排水は原水に1.8を掛けた数値となる。
冷水タンク又は温水タンクへ送られた飲料水は、排水のリサイクルを繰返して行なっても、原水の逆浸透膜浄水器による浄水と同じ値となり、リサイクル回数を延ばすことができる。

また、逆浸透膜の負担係数は３００PPM以上になると、負荷が大幅に大きくなるので、リサイクル回数を６回程度に限定するのが普通であるが、本発明の場合は、原水が大気中の水分であり、雑菌を除いて逆浸透膜浄水器でろ過した場合、６回にとどまらずリサイクル回数を延ばすことを可能とした。

大阪市の水道水は１００PPM 程度であり、排水は一回目で１．８を掛けた１８０PPMとなるので、２回目のリサイクルで３２４PPMになる。従って、リサイクルは無理である。

本発明では、原水が蒸留水の総溶解固形物、無機イオン（TDS）と比較して値が低い水であるので、繰り返しリサイクル可能となっている。なお、リサイクルの途中で、大気中から取水するので、排水が希釈され理論値では、リサイクルは何回でも問題なく行われることとなる。

外気温の変化に対してもっとも効率よく取水するには、冷却コントローラーを設けて中央処理装置により熱交換器による冷却温度を制御する。取水機構に取入れられた大気の風量（風速）が、強、中、弱強、弱と変化するのに対応して、冷却器としての熱交換器の表面温度は０℃〜−５℃とすることが、効率のよい熱交換器の冷却能力を最良であることを知った。（表２参照）

表３は本発明で逆浸透膜浄水器からの排水を、コンプレッサーの外周に巻きつけた銅管の中を通すことにより、コンプレッサーを冷却した場合、取水が増量されることを示す表である。

熱交換器 ： ケイワイ技研製（ステンレスフィン仕様）
冷媒 ： 代替フロンR134a
コンプレッサー： ハイリー（海立）製BSA６４５CR-RIENC
銅管 ： ７重巻き （６Φ）

表３は環境条件１，２，３のいずれの場合にも、温度センサーによって感知した外気温に対して、逆浸透膜浄水器からの排液を利用してコンプレッサーを冷却した場合（本発明）と利用しない場合との取水効果の比較表である。いずれの場合も取水の増量が明らかである。冷却ファンによる風速（４m/sec）を一定として得たデータである。

外気温９．３℃で得られた水分の量は、１７％の増量が認められ、外気温２５℃前後で２０〜２５％の増量が認められた。

本発明では大気取入れコントローラーによって、取水機構に取入れられる大気の風量(風速)を制御する他、これと連動する冷却コントローラーを設けて、中央処理装置を用いて効率のよい熱交換器の冷却能力を維持しているので、取水効率が極めて高くなっている。しかも、水道工事を必要とせず、逆浸透膜浄水器を通してリサイクルを実現しているので、場所を選ばず、電源さえ確保できれば、運転が容易である。

１：取水機構
２：温度センサー
３：フィルター
４：殺菌器
５：熱交換器
６：吸気ファン
７：大気取入コントローラー
８：冷却コントローラー
９：中央処理装置（ＣＰＵ）
１０：貯水タンク
１３：加圧ポンプ
１４：プレフィルター
１５：逆浸透膜浄水器
１６：温水タンク
１７：温水供給口
１８：冷水タンク
１９：冷水供給口
２０：ポンプ
２１：電磁弁
２２：コンプレッサー
２３：排水
２４：銅管

Claims (8)

1. 大気中の水分を取出す取水装置であって、
   吸気ファンにより取水機構へ取入れられる大気が、コンプレッサーを備えた熱交換器により冷却され凝縮されて大気中の水分として取り出されるようにした取水機構を設け、
   温度センサーによって感知された外気温に応じて、前記吸気ファンによって取入れられる大気の風量または風速を制御する大気取入コントローラーを設け、
   前記大気取入コントローラーと連動する冷却コントローラーを設け、
   前記冷却コントローラーは、前記コンプレッサーを用いて前記熱交換器のステンレスフィンの表面温度を制御し、
   前記大気取入コントローラーおよび前記冷却コントローラーは、前記外気温に応じて、中央処理装置によって連動して制御され、
   前記取水機構によって取出された水分は一旦貯水タンクに貯留され、加圧ポンプで逆浸透膜浄水器へ送り、前記逆浸透膜浄水器からの排水を前記熱交換器の前記コンプレッサー外周に巻き付けた銅管を通して前記コンプレッサーを冷却するようにしたことを特徴とする、取水装置。
2. 前記貯水タンクに貯留された水分は、前記加圧ポンプで前記逆浸透膜浄水器へ送られ、ろ過され、浄水として取出されることを特徴とする、請求項１に記載の取水装置。
3. 前記逆浸透膜浄水器へ送り、ろ過し浄水する手段と、
   前記ろ過された浄水を温水タンク又は冷水タンクへ送水する手段と、
   温水又は冷水として供給口から取出す手段と、
   前記冷水タンクに移送された浄水を、一定時間後又は随時電磁弁を経て前記貯水タンクへ還元するリサイクル手段と
   を備えている、請求項１または２に記載の取水装置。
4. 前記温水タンクの周縁にはヒートバンドが設けられており、
   前記ヒートバンドの加熱によって熱湯殺菌が行われる、請求項３に記載の取水装置。
5. 大気中の水分を取出す取水方法であって、
   コンプレッサーを備えた熱交換器によって凝縮されて生じた大気中の水分を一旦貯水タンクに貯留し、加圧ポンプにより送水し、逆浸透膜浄化器を通してろ過し浄水する工程と、
   前記逆浸透膜浄水器からの排水によって前記コンプレッサーを冷却する工程と、
   前記ろ過された前記浄水を温水タンク又は冷水タンクへ送水する工程と、
   前記温水タンクの温水、又は、前記冷水タンクの冷水として供給口から取出す工程と、
   前記冷水タンクに移送された浄水は、一定時間後又は随時電磁弁を経て前記貯水タンクへ還元する工程と
   を含む、取水方法。
6. 前記コンプレッサーを冷却する工程は、前記熱交換器のコンプレッサーの外周に巻き付けた銅管に前記排水を通すことを実行する、請求項４に記載の取水方法。
7. 前記貯水タンクへ還元する工程において、前記冷水タンクに送水された水は前記温水タンクへと送られ、前記温水タンクの周縁に設けたヒートバンドによって８０〜９０℃に加熱され、次いで、前記電磁弁を介して加熱水は前記冷却タンクに送水される、請求項５または６に記載の取水方法。
8. 緊急時又は災害時には、水道の蛇口からの水が前記貯水タンクに加えられ、前記大気中の水分と合わせて、前記ろ過浄水された温水又は冷水が生成される、請求項５から７の何れか一つに記載の取水方法。

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