JPH01148385A - 浄水用デュアル冷凍チャンバシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、水を部分的に凍らせ、次いで凍っていない液
体部分を流出させ、そして最後に凍った部分を溶かすた
めの、浄水方法及びシステムに関する。より詳しくは、
本発明は、第一のチャンバで水が凍らされ第二のチャン
バで氷が溶解される先の段階と、第一のチャンバで氷が
溶解され第二のチャンバで水が凍らされる後の段階を含
む、多段階作動サイクルを採用した浄水方法及びシステ
ムに関するものである。

〔従来の技術〕

最も広く利用されている浄水方法は蒸留であり、これは
溶液に対して熱を加えて純粋な水蒸気を生成させること
により達成される０通常はこの水蒸気は次に凝縮されて
、純粋な水の液体を生ずる。水を蒸発させるのに必要と
される熱量は、１ｋｇあたり約２３００ｋＪ　（１ポン
ド当たり約１０００８ＴＵ）である、蒸気を凝縮させる
ためには、さらに１ｋｇあたり約２３００ｋＪ　（１ポ
ンド当たり約１０００ＢＴＵ）を蒸気から除去しなけれ
ばならない。

理想的には、蒸発過程と凝縮過程とを段階的につないで
、最初の蒸発に必要とされるＩＳｃｇあたり約２３００
ｋＪ　（１ボンド当たり約１０００８ＴＵ）というエネ
ルギー人力条件を緩和することができる。

実際には、理想的な場合よりも非常に多（のエネルギー
が必要とされる。現在の技術水準における段階接続蒸留
システムが必要とする熱量は、生成物１ｋｇ当たり少な
くとも１２０ｋＪ（１ボンド当たり５０ＢＴＵ）である
、しかしこのような能力を備えたシステムは巨大で複雑
であり、また高価なものである。

他の浄化技術である凍結浄化（ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｐｕ
ｒｉ−ｆｉｃａｔｉｏｎ）は、水溶液が凍る場合、その
水溶液に含まれている不純物（固体及び気体の両者）が
排除されるという現象を基礎とするものである。この現
象により、部分的に凍った水溶液の凍った部分は、未凍
結の液体部分よりも極めて少ない不純物濃度を有するこ
とになる。

例えば都市における要望に応えるため大量の塩水を浄化
するために、凍結技術を利用すべきであることが提案さ
れてきている０例えば１９６８年１０月８日にアロンソ
ン氏に発行された米国特許筒３．４０４，５３６号は、
デュアルチャンバ瞬間凍結浄化システムを開示している
。このアロンソン氏のシステムは一日当たり最大的９５
００ｒｒｆの塩水を処理するよう設計されているが、非
常に複雑なものである。このアロンソン氏のシステムは
２．８°Ｃ（３７Ｆ”　）の塩水を第一の低圧チャンバ
内の噴霧ノズルからスプレーしており、これにより水が
噴霧ノズルに隣接して配置されたスクリーン上で瞬間凍
結するようになっている。

この第一のチャンバは、該チャンバ内を走るコイルを流
れている−４．４℃（２４Ｆ＠）の冷媒による凍結過程
の間、低圧に保たれる。後になってから、氷で覆われた
スクリーンは洗浄され、塩水が流し出される。さらにそ
の後、３．９℃（３９Ｆ”）の冷媒が第一のチャンバの
コイルを流されて、第一のチャンバ内にあるリザーバに
ある液体を蒸発させ、これによりスクリーン上の氷は溶
解させられる。溶解された氷は流出させられて、サイク
ルは完了される。

第一のチャンバ内にあるコイルを通して−４，４”Ｃ（
２４Ｆ”　）の流体が流れている間、同様の第二のチャ
ンバ（やはリスクリーン上へと塩水をスプレーする噴霧
ノズルを有する）のコイルを通って３．９℃（３９Ｆ＠
）の流体が流されて、第二のチャンバ内のスクリーン上
の氷が溶解される。第一のチャンバ内での凍結動作が完
了され、第一のチャンバを通して３．９℃（３９Ｆ＠）
の流体を流すように弁が切り替えられた場合、第二のチ
ャンバのコイルを通って−４，４°Ｃ（２４Ｆ＠）の冷
媒が流れるように、他の弁も同時に切り替えられる。か
（して凍結及び溶解動作が第−及び第二のチャンバにお
いて、相互に１８０＠ずれた位相でもって行われる。

このアロンソン氏のシステムでは、二つのチャンバへの
冷媒の流れを制御するための弁を含めて、非常に複雑な
ヒートポンプサブシステムがが必要とされる。３．９℃
（３９Ｆ”）の冷媒がヒートポンプから一つのチューブ
内を一方のチャンバへと流れ込み、後に−４，４℃（２
４Ｆ＠）の冷媒がヒートポンプから同じチューブ内を同
じチャンバへと流出するように、ヒートポンプはチャン
バへの冷媒の流れを周期的に逆転させている。

別の実施例においては、アロンソン氏のシステムは、冷
却サブシステムのコイル中を交互に流れる２９℃（８５
Ｆ＠）の水と３５℃（９５Ｆ”）の水蒸気の流れと共に
、吸着／脱着冷媒（例えば臭化リチウムの如き）を使用
している。すべての実施例において、複雑な弁システム
及び複雑なヒートポンプを含む巨大な装置が必要とされ
る。瞬間凍結を使用して大量の塩水を処理するのに必要
な高い熱伝達の必要性の故に、アロンソン氏のシステム
の冷却部材は、複雑な構成を取らざるを得ないのである
。臭化リチウムが使用される場合には、アロンソン氏の
システムにおいて冷媒が漏出した場合、それは処理して
いる水が汚染する危険を孕むものである。

別の従来の凍結浄化技術が、１９６５年１０月１９日に
ソマース・ジェニア氏に発行された米国特許第３．２１
２．２７２号に開示されている。ソマース氏のシステム
は、隣接する区画の間に配置された多数の熱電ヒートポ
ンプを採用している。塩水区画を一つ置きに満たす、ポ
ンプは直流電源に電気的に接続されており、それらの「
冷」接点（熱吸収接点）が塩水に面するようになってい
る。ポンプは選択的に付勢されて（一番下のポンプが最
初で一番上のポンプが最後に）、区画内の水を下から上
へと凍らせる。ポンプの「熱」接点は残りの一つ置きの
区画に収容された氷に面しており、ポンプの選択的な付
勢につれて氷を下から上へと溶解するようになっている
。溶解された氷は、清水貯蔵領域へと流出される。

次いで、ポンプの電気的接点は逆転されて、空の区画（
溶解し流出された氷を収容していた）が塩水で満たされ
る。ポンプは再度下から上へと選択的に付勢されて、区
画を互い違いに凍結及び溶解させる。

ソマース氏のシステムの区画は、その中に収容された氷
の傾斜した頂面から液体が流出することを許容するよう
に傾斜されている。この構造は、区画内における塩分の
濃度及び溶液の比重の固有の不均一さのために、補助的
な制御手段によりこれが相殺されない限り、氷の形成速
度の不均一という結果を招く、ソマース氏のシステムの
さらなる不具合は、使用されている熱電ポンプのエネル
ギー効率が悪く、従って作動が経済的に行われないこと
である０例えば、熱電ヒートポンプのモデルＣＰ　５−
３ｌ−０６Ｌ　　（Ｍｅｌｃｏｒ社製造）の動作係数は
、０．５６に等しい、従ってこのＭｅｌｃｏｒ社のポン
プは、塩水から１２５ワツトの熱を除去するために、そ
の電源から２２５ワツトを引き出すことになる。さらに
また、ソマース氏のシステムは（アロンソン氏のシステ
ムと同様に）物理的に巨大で嵩高であり、従って少量か
ら適当量までの水（即ち一日当たり数十リットルかそこ
ら）を浄化するための家庭用設備として使用するには不
適当なものである。

都市の水道の脱塩（例えば−日当たり４０００ト。

（百方ガロン）のプラント処理能力でもって）を行うた
めに、連続的凍結浄化プロセス（アロンソン氏及びソマ
ース氏のようなバッチ式プロセスと対比される）もまた
採用されている。このようなプロセスは多量の水を脱塩
することには成功しているが、数多くの可動部材を有す
る複雑な設備を必要とするために、スケールの巨大な実
施を行う場合であっても桁外れの資本投下を必要とする
。

〔発明の解決しようとする課題〕

本発明以前においては、家庭用又はレストラン用の設備
に適した、簡単で、安全で、経済的で、しかも信鎖でき
る多数チャンバのバッチシステムを使用してどのように
して水の凍結浄化を行うことができるかは知られていな
かった。

本発明の課題は、可動部材を殆ど、或いは全く有してお
らず、生成した氷を掻き取ったり搬送したりする必要性
がなく、化学的置換やカートリッジの取り替えの必要が
なく、また家庭用又はレストラン用の設備として使用す
るのに適した小さなハウジング内に具体化でき、処理す
る水１ｋｇ当たり３８．８ｋＪ　（１ボンド当たり１６
．７８ＴＵ）（処理される水Ｉｎ当たり毎時１０．６ワ
ツト（１ガロン当たり毎時４０ワツト））の電力消費で
もって、−日当たり１９１（５ガロン）までの水におけ
る最大９５パーセントの不純物を除去することのできる
方法及びシステムを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のシステムは二つ又はそれ以上の数のチャンバを
含んでおり、チャンバの各々は凍結及び溶解動作のため
に交互に使用される。一つの実施例においては、二つの
蒸気圧縮凝縮コイルが、対となったチャンバの各々に備
えられている。一つのコイルの蒸発器部分は第一のチャ
ンバに組み合わせられており（浸漬され又は巻きつけら
れている）、他方凝縮器部分は第二のチャンバと組み合
わせられている。他方のコイルの凝縮器部分は第一のチ
ャンバと組み合わせられており、この他方のコイルの蒸
発器部分は第二のチャンバと組み合わせられている。

本システムは三段階のサイクルで作動する。

第一段階においては、一方のコイルが作動されて第一の
チャンバ内の水を部分的に凍結させ、他方これと同時に
、第二のチャンバ内にある氷を溶解させる。溶解された
水はまた、第二のチャンバから流出される０次の段階に
おいて、凍結していない液体（高濃度の不純物を含む）
は第一のチャンバから流出され、水（低濃度の不純物を
含む）が第二のチャンバへと供給される。

最後の段階においては他方のコイルが作動され、第二の
チャンバ内にある水を部分的に凍らせ、これと同時に第
一のチャンバ内にある氷を溶解させる。そしてサイクル
は繰り返される。

或いはまた、単一の熱伝達コイルシステムが、コイルの
一方の端部が各チャンバと組み合わせられるようにして
、チャンバの対の各々に備えられる。一連の弁がサイク
ルの第一から第三段階の間で切り替えられて、コイル内
における熱伝達流体の流れを方向付け、これにより各々
のコイル端部が関連するチャンバからの熱の除去及び供
給を交互に行うようになっている。熱伝達コイルシステ
ムは蒸気圧縮凝縮コイルを含んでおり、そこにおいて各
々のコイル端部は蒸発器及び凝縮器として交互に機能す
る。

流出段階において氷にくっつく（粘度の故に）未凍結の
液体の量を最小限にし、また熱伝達の方向における凍結
した氷の層の厚みを最小限にしく氷の熱絶縁特性が凍結
及び溶解段階における熱の流れを妨げるため）、その一
方でシステム全体の寸法を最小とし且つ生成物のスルー
プツト率（処理能力）を最大にするように、各々のチャ
ンバの容積と表面積の比、及び凍結−溶解サイクルの周
期を最適化することが好ましい。

〔実施例〕

本発明の技術について、先ず最初に第１図の概略的な図
を参照して全体的に説明する。同一のチャンバ１及び２
は、ライン３及び４のそれぞれからの汚れた水で交互に
満たされる。蒸気圧縮凝縮コイル９及び１０が、チャン
バ１及び２の中へと延びている。コイル９の凝縮器部分
９ａはチャンバ２内に巻かれており、コイル９の蒸発器
部分９ｂとなる端部はチャンバｌ内に巻かれている。ま
たコイル１０の蒸発器部分１０ａはチャンバ２内に巻か
れており、コイルｌＯの凝縮器部分１０ｂはチャンバｌ
内に巻かれている。処理の第一段階において、チャンバ
１にはライン３から汚れた液体の水が供給され、チャン
バ２は氷を含んでいて、この氷から浄水がライン８を介
して流出される。蒸気圧縮凝縮コイル９が付勢されて、
チャンバ１内の内容物の一部を凍らせる。同時に、蒸気
圧縮コイル９はチャンバ２内の氷を溶解する。チャンバ
２内の溶解された氷（該氷からは凍結過程において殆ど
の不純物が除去されている）は、生成物ライン６を介し
て流出される。

処理の第二段階において、チャンバ１内の未凍結の液体
（高い不純物濃度を有する）はライン７を介して流出さ
れ、その一方で空のチャンバ２にはライン４を介して汚
れた液体の水が満たされる。処理の最後の第三段階にお
いては、コイル１０が付勢されてチャンバ２の内容物の
一部が凍らされ、他方チャンバ１内の氷が溶解される。

またこの第三段階において、チャンバ１内の溶解された
氷は、ライン５を介して流出される。

本システムの全エネルギー損失（システムの弁を付勢し
また冷却剤及び他のシステム流体を給送するのに必要な
エネルギーを除く）は、低温の、不純物を含んだ水を廃
棄することに基づくもΦである。この損失は、不純物を
含んだ液体を廃棄する前に、この不純物を含んだ液体と
給送されてくる水との熱交換を行うことによって好まし
く減少する。ことができる、−日当たり１９１５ガロン
）の生成能力を有する本発明のシステムの一つの実施例
における全エネルギー消費量は非常に少ないものであり
、流出される液体を廃棄する前に熱交換しない場合であ
っても、廃棄率５０％でもって一日当たり１９Ｉｌ（５
ガロン）の浄水を生成するためのエネルギー消費量は、
−日当たり毎時約２００ワツトであると見積もられる。

第２図は、第１図のシステムの変形例を示す簡単化され
た図であり、廃棄される廃水から浄化されたシステム生
成物を分離するための溝アセンブリを示して、いる、チ
ャンバ１及び２、冷却コイル即ち蒸気圧縮凝縮コイル９
及び１０、並びに給水導入ライン３及び４は、第１図に
示す対応する部材と同一のものである。出水ライン２１
及び２２は、それぞれソレノイド弁２３及び２４によっ
て制御されている。生成サイクルの一つの段階において
は、ソレノイド弁２３が開放されて廃水（即ちチャンバ
１内の液体−水混合物の凍っていない部分）が溝２５上
へと流出され、この溝２５を通つて廃水タンク３５へと
入り、このタンクから出口３６を介して廃棄される。サ
イクルの同じ段階においてソレノイド弁２４が開放され
、浄化され溶解された氷が溝２６上へと、そして溝２６
を通って生成物タンク３４へと流出される。

サイクルのこの段階に続いて、溝２５及び２６はギア３
０及び３１により、各々の枢軸即ち２７及び２８のそれ
ぞれの周囲で回動される。ギア３０がモード（図示せず
）によりその軸線４０の周囲で回転するにつれ、その歯
はこれと噛み合うギア３１の歯と係合し、ギア３１をそ
の長手方向軸線に沿って移動せしめる。かくしてギア３
１は溝２６の回動に充分なトルクをもたらし、溝２５と
２６を接続している部材４２を付勢して、溝２６と同じ
角度的変位でもって溝２５を回動させる。溝２５及び２
６の新たな回動された位置は、それぞれ点線で示した要
素２５ａ及び２６ａによって示されている。

溝が回動された後、浄化サイクルの次の段階において、
ソレノイド弁２３が開放されて溶解した氷がチャンバｌ
から溝２５上へ、そして溝２５を通って生成物タンク３
４へと流出するようにされる。同時に、ソレノイド弁２
４が開放されて、チャンバ２からの廃水を溝２６上へ、
そして溝２６を通って廃水タンク３５へと流出せしめる
。

第３Ａ図及び第３Ｂ図は、チャンバ１０１及び１０２の
ための単一の蒸気圧縮コイルシステムを含む（各々のチ
ャンバについて個別の一つ宛の冷却コイルを備えるので
はなくて）、本発明の好ましい実施例を図示している。

各々のタンクの外側に巻かれたコイル部分（又は「端部
」）は、蒸発器及び凝縮器として交互に機能する。

なお、これらのコイル部分はチャンバの外側に巻かれた
ものとして示されているが、第３Ａ図及び第３Ｂ図の実
施例の変形例として、これらをチャンバの内部に巻くこ
ともできる。

第３Ａ図及び第３Ｂ図は、同じシステムを二つの異なる
作動モードにおいて示している。第３Ａ図において、ソ
レノイド弁１１１，１１３．１１４及び１１７はスイッ
チが切られており、冷却剤がソレノイド弁１１０．１１
２．１１５及び１１６のみを通って流れるようになって
いる。第３Ｂ図においてはソレノイド弁１１０，１１２
．１１５及び１１６はスイッチを切られており、冷却剤
はソレノイド弁１１１，１１３゜１１４及び１１７のみ
を通って流れる。

第３Ａ図において、コイルシステム中の冷却剤（高圧蒸
気状態にある）は圧縮器１０３からソレノイド弁１１０
を通ってチャンバ１０２へと、矢印２００及び２０１の
方向において流れる。そしてコイル中の冷却剤が凝縮す
るにつれて、位置Ａ及びＢの間にある冷却剤は凝縮器と
して作用して、チャンバ１０２へと熱を与える０次いで
冷却剤は膨張弁１４２を通って蒸発器部分１５１へと流
れる。蒸発器部分１５１は、ヒートポンプ１３９と熱接
触している。熱はヒートポンプ１３９から蒸発器部分１
５１へと矢印１５０の方向に流れて、蒸発器部分１５１
にある低圧の液体冷却剤を気化させる。熱交換ユニット
１０４（例えばファン）がここで機能して、コイル部分
１０５において冷却剤から過剰の熱を移動させる。低圧
の蒸気冷却剤は次に、圧縮器１０３において圧縮される
。

位置Ｃ及びＤの間でチャンバ１０１の周りに巻かれたコ
イル部分はく第３Ａ図）、チャンバ１０１内から熱を取
り出す蒸発器として機能する。冷却剤（低圧の蒸気状態
にある）はソレノイド弁１１６を通うて圧縮器１０７へ
と流れ、この圧縮器から高圧の蒸気として取り出される
。この高圧の蒸気は次いで、ヒートポンプ１３９と熱導
通している凝縮器部分１０８を通って流れる。ヒートポ
ンプ１３９は凝縮器部分１０８にある冷却剤から熱を取
り出し、冷却剤を凝縮し、過剰の熱を矢印１５０の方向
において蒸発器部分１５１へと移動させる。

蒸気圧縮凝縮コイルにおける冷却剤としては、フレオン
（Ｒ１１又はＲ１２の如き）という商品名のものを使用
できる。適当な圧縮器、膨張弁、ソレノイド弁、及び適
当なヒートポンプは、市販されているモデルの中から選
ばれる。

通常のタイマー１６６及び１６９（又は後で第４図に関
して説明する如き給水又は廃水流体センサーからの電気
信号）は、ワイヤ１６７、１６８．１７０及び１７１を
介して信号を供給して、所望とする時点（例えばチャン
バ１０１の壁土に実質的に１閣よりも厚い氷、即ちほぼ
ＩＣＩＩの厚みの氷が形成されたことが計算された場合
）においてソレノイド弁１１１，１１３．１１４及び１
１７のスイッチを入れて後半の生成サイクル段階（以下
に第３Ｂ図を参照して説明する）を開始させるが、この
段階ではチャンバ１０１と１０２の役割が逆になる。

この後半のサイクル段階において、位置Ａ、！：Ｂの間
でチャンバ１０２の周囲に巻かれたコイル部分は蒸発器
として機能し、位置ＣとＤの間でチャンバ１０１の周囲
に巻かれたコイル部分は凝縮器として機能する。やはり
所望とする時点において、タイマー１６０及び１６３は
ワイヤ１６１．１６２゜１６４及び１６５を介して信号
を供給し、ソレノイド弁１１０．１１２．１１５及び１
１６のスイッチを切る。

このシステムのソレノイド弁は、第３Ｂ図に示されたモ
ードにおいて、高圧の蒸気冷却剤がソレノイド弁１１１
及び丁字形接続部１３２を通って矢印２５０及び２５１
の方向でチャンバ１０１へと流れるように切り替えられ
ている。冷却剤は位置Ｃ及びＤの間のコイル部分で凝縮
し、チャンバ１０１へと熱を伝達する（チャンバ１０１
内の氷を溶かすために）、凝縮器部分ＣＤから出てくる
高圧の液体冷却剤は丁字形接続部１３３、ソレノイド弁
１１３（ソレノイド弁１１６は通らない）及び膨張弁１
４３を通って（矢印２５２及び２５３の方向で）流れ、
コイルの蒸発器部分１５１において低圧の液体として出
てくる。蒸発器部分１５１はヒートポンプ１３９と熱接
触しており、第３Ａ図と同様に蒸発器として機能する。

従って、熱はヒートポンプ１３９から蒸発器部分１５１
へと流れて、該蒸発器部分１５１内に含まれる冷却剤を
気化させる。過剰の熱は、第３Ａ図の如く熱交換ユニッ
ト１０４により、コイル部分１０５においてコイルシス
テムから除去される。コイル部分１０５から出てくる低
圧の蒸気冷却剤は圧縮器１０３において圧縮され、チャ
ンバ１０１へと再度循環する。

低圧の液体冷却剤は、矢印２５５の方向においてチャン
バ１０２へと流れる０位置ＡとＢの間でチャンバ１０２
に巻かれたコイル部分は蒸発器として機能し、そこにお
ける冷却剤の気化はチャンバ１０２から熱を奪う（チャ
ンバ１０２の内容物の一部を凍らせる）、この蒸発器部
分から出てくる低圧の蒸気冷却剤は、矢印２５６及び２
５７の方向において丁字形接続部１３１及びソレノイド
弁１１７を通り、圧縮器１０７へと流れる。圧縮器１０
７から出てくる高圧の蒸気はコイルの凝縮器部分１０８
を通って流れるが、これは第３Ａ図におけるようにヒー
トポンプ１３９と熱伝導状態にある。凝縮器部分１０８
から取り出される熱は、ヒートポンプ１３９によって蒸
発器部分１５１へと伝達される。凝縮器部分１０８から
出てくる高圧の液体は、膨張弁１４４、ソレノイド弁１
１４及び丁字形接続部１３０を通って矢印２５４及び２
５５の方向に流れる。

第４図のシステムは、第３Ａ図及び第３Ｂ図のシステム
の変形である。第４図において、位置ＡとＢの間及び位
置ＣとＤの間の蒸気圧縮凝縮コイル部分は、第３Ａ図及
び第３Ｂ図の実施例にように、凝縮器及び蒸発器として
交互に機能する。蒸気圧縮器３０１は、コイル部分３１
１にある低圧の蒸気冷却剤を圧縮する。圧縮器３０１か
ら出てくる高圧の蒸気（高温を有する）は、三方弁３０
４を通って流路３１２へと流れる（しかし流路３１５は
通らない）、加熱された高圧の蒸気はコイル部分３１３
内で凝縮するにつれて熱を放出し、それによってチャン
バ１０２内の氷を溶解する。こうして冷却された液体冷
却剤は次に三方弁３０５へと流れ、ここで流路３１８へ
ではなく流路３１４へと方向付けられる。過剰の熱はフ
ァン３０３により熱交換器３２０において大気へと放出
され、液体は膨張弁３０２へと流れて断熱膨張される。

膨張弁３０２から出てくる低圧の液体は、三方弁３０６
を通って流路３０８（流路３１６ではなく）へと流れる
。

コイル部分３０９において、液体の冷却剤は気化するに
際してチャンバ１０１から熱を奪い、従ってチャンバ１
０１内の液体の水は凍ることになる。コイル部分３０９
から出てくる低圧の蒸気冷却剤は、三方弁３０７を通っ
て流路３１１へと流れ（流路３１７へではなく）、再度
圧縮されるようになる。

チャンバ１０１内の氷の層が所望の厚みまで成長したな
らば、コイル部分３１３が蒸発器として作用しまたコイ
ル部分３０９が凝縮器として作用するように、三方弁３
０４．３０５．３０６及び３０７が切り替えられる。こ
の切り替え動作により、三方弁３０４は圧縮器３０１か
らの流体を流路３１２ではなく流路３１５へと送り出し
、三方弁３０５は流路３１８からの流体を流路３１４へ
と向け、三方弁３０６は膨張弁３０２からの流体を流路
３０８ではなく流路３１６へと送り、そして三方弁３０
７は流路３１７からの液体を流路３１１へと（流路３１
０へではなく）送り出す。

選択的に、三方弁３０４−３０７の各々は、一対の双方
向弁によって置き換えることができるが、その方法は本
技術分野における当業者には明らかであろう、第３Ａｖ
ｇＪ及び第３Ｂ図並びに第４図に示された構成について
は、数多くの設計変更が可能であることが理解される。

その内幾つかのものはより多くの流体弁を含み、また他
のものはこれらの図面のものよりもより少ない流体弁を
使用するであろう０例えば、第４図における四つの三方
弁３０４−３０７の組は、第４図の構成の設計変更例と
して、単一の四方弁によって置き換えることができる。

本発明のさらに別の好ましい実施例を、第５図を参照し
て説明する。第５図において、ヒートポンプ３２０は矢
印３３１の方向において右から左へと熱を給送する（従
ってポンプ３２０の冷たい面は右に、ポンプ３２０の熱
い面は左にある）。

ヒートポンプ３２０は、例えば熱電タイプの如き市販の
ものから選ばれる。熱伝達流体コイルシステム３３０が
、コイル部分３２２及び３２３においてポンプ３２０と
熱接触している。コイルシステム３３０は熱搬送流体を
含むが、これは冷却剤である必要はない。典型的なヒー
トポンプは、１よりも小さい動作係数を有している（典
型的には動作係数は約０．５であり、従って部分３２２
から一単位の熱を取り出すためには、コイル部分３２３
へと二単位の熱を送らねばならない）ことから、ファン
３２４が設けられていて過剰の熱をコイル部分３２５か
ら大気中へと発散させるようになっている。ポンプ３２
１及び３２６は、コイルシステム３３０内で液体を循環
させる。

チャンバ１０２へと熱を供給する（またチャンバ１０１
から熱を除去する）ために、三方弁３０４゜３０５、３
０６及び３０７は切り替えられて、ポンプ３２６から流
路３１２へ（流路３１５へではなく）、コイル部分３１
３から流路３１７へ、流路３１７からポンプ３２１へ、
ポンプ３２１からコイル部分３２２へ、コイル部分３２
２から流路３０８へ、流路３０８からコイル部分３０９
を通って流路３１８へ、そして流路３１８からコイル部
分３２３へと液体を送る。他方、チャンバ１０１へと熱
を供給する（そしてチャンバ１０２から熱を除去する）
ためには、三方弁３０４−３０７は切り替えられて、ポ
ンプ３２６から流路３１５へ、コイル部分３０９から流
路３１０を通ってポンプ３２１へ、ポンプ３２１からコ
イル部分３２２を通って流路３１６へ、そして流路３１
６から流路３１２を通ってコイル部分３１３及びコイル
部分３２３へと流体を送り出す。

第３Ａ図、第３Ｂ図、第４図及び第５図の実施例におけ
るチャンバ１０１及び１０２を出入りする供給水、凍っ
ていない廃水、及び溶解した氷の流れは、第１図及び第
２図の実施例に関して上記に記載したのと同じ弁及び流
路のシステムによって達成することができる０周囲に熱
伝達用のコイルが巻かれるチャンバ１０１及び１０２の
壁は、熱伝達性の材料で構成される。生成サイクルの一
つの段階において、氷の層が一方のチャンバの壁土に形
成され、同時に他方のチャンバの壁土の氷が溶解される
。凍結動作の最適な長さは、以下の事項を考慮して定め
られる。

冷凍サイクルにあるチャンバ内にある０℃の水の溶液か
らさらに熱が取り去られると、熱伝達表面（第３Ａ図、
第３Ｂ図、第４図又は第５図の実施例におけるチャンバ
の壁）上に氷の薄い層が形成される。氷の層が厚くなる
につれ、熱の伝達率は減少するが、これは氷が熱の絶縁
体だからである。従って、一定温度Ｔｓ　（Ｔｓ＜Ｏ）
にある氷形成表面において、厚さＸの氷の層を得るため
に必要となる時間ｔは厚さＸの非線形関数である。氷の
層の厚さＸは、次の式：％式％） により定まる。この式においてＫｉは氷の熱伝導度（０
，００５３５ｃａｌ／ｃｍ−ｓｅｃ−”Ｃ）であり、Ｔ
ｆは水の氷点（０℃）であり、Ｑ、は氷の形成の潜熱（
１グラム当たり８０カロリー）であり、ｄｉは氷の密度
（０，９２ｇ　／ｃ１ｉりである。例えばＴｓ＝−１０
℃において、厚さ１ｃｍの氷の層を形成するためには約
０．１９時間を必要とするが、厚さ５０Ｃ１の氷の層を
形成するには約２０日を要することになる。

従って、システムの処理能力を最大にするためには、凍
結時間を最小にすると同時に、チャンバ容積に対する熱
伝達表面積の割合を最大にすることが好ましい、しかし
ながら、不純物を高率で除去することが望ましい場合に
は、チャンバ容積に対する表面積の割合が大きいことは
望ましくない、これは、不純物を含んだ液体がチャンバ
から流出される場合に、その液体の粘性によって、その
うちの幾らかはチャンバの壁土に残っている氷にくっつ
くからである。このような液体のくっつき量を最小限に
するためには、容積に対する表面積の割合は最小限にし
なければならない。

本発明者は、粘性により保たれている液体の層は、通常
的１ｍよりも少ない厚みであり、従って氷の厚みが少な
くとも大体数倍程度大きなものであれば（即ち約０．５
−１．０　Ｃ１ｍ）　、粘性により保たれている液体に
由来する不純物の濃度は無視できることを見出した。上
述した制約の下で、使用される熱伝達部材でもって得ら
れる温度および所望のシステム処理能力を所与として、
チャンバの大きさ及び凍結動作の時間的長さは最適化す
ることができる。システムの弁の制御は、凍結動作の期
間をいったん定めたならば、タイマーを使用して容易に
行うことができる。

数ミリ程度の氷の厚さの変動によって本プロセスの効率
が決定的に影響されるものではないから、必要とされる
タイマーの精度は非常に低い。

例えば、本発明者が見出したところでは、−日当たり２
２．７４！の浄水を生成する処理能力を持つシステムに
ついて、チャンバの壁の温度が凍結動作の間−５℃に保
たれる場合、厚さＩＣＩＩの氷を生成するための好まし
い凍結動作の期間は０．３８時間であり、またチャンバ
は矩形であって高さ及び幅が９．５　ｃｌｌで奥行きが
３Ｃ１１であるのが好ましい、熱伝達コイルシステムが
一１℃というより高い温度しか維持できない場合、チャ
ンバは約３０ｃｍ　Ｘ　３０ｃｍ　Ｘ　３　ａｓの大き
さとすべきである。熱伝達コイルシステム（蒸気圧縮凝
縮コイルシステムの如き）が−１０℃の熱伝達表面温度
を保持できるのであれば、チャンバの大きさは６、７８
ｃｍ　Ｘ　６．７８ＣＩＩ　Ｘ　３　ｃｔａであるのが
好ましい。

次に本発明の別の実施例を、第６図を参照して説明する
。第６図の実施例においては、コイルの凝縮器部分２０
９及び蒸発器部分２１０は、第３Ａ図及び第３Ｂ図の実
施例におけるようにチャンバの外側にではなく、チャン
バ２２０の内側に設けられている。供給される水でもっ
てチャンバ２２０を所望とするレベルまで満たすために
は、ソレノイド弁２２３が開放されて供給水が入口ライ
ン２２４を介して入るようにされる。出口ライン２２６
を介して液体をチャンバから流出させるためには、ソレ
ノイド弁２２５が開放される。

本実施例では、チャンバ２２０の壁は断熱性であるのが
好ましい、蒸発器部分２１０が作動される場合、該蒸発
器部分はチャンバ内に含まれている供給された水の上部
表面から熱を取り去る。

ワイヤメツシュのプレート２１９が、垂直方向に平行移
動する浮き２２１上に載置されており、またチャンバの
壁内に設けられた案内ループ２１２及び導電性案内ロッ
ド２１１によって、水平方向に移動しないように制限さ
れている。供給された水が凍るにつれて、上部の表面か
ら下方へと向けて成長してくる氷の層は、案内ロシド２
１１の導電性端部２１６が導線２１８と接触するまで、
浮き２２１を下方へと押し下げる。するとこの導線２１
８はロッド２１１及びワイヤ２１３を介して電流を接地
２１４へと導通させ、蒸発器部分２１０を消勢し、ソレ
ノイド弁２２５を「開放」位置に切り替えて、液体をチ
ャンバから流出させる。

浮き２２１及び案内ロッド２１１に代えて、蒸発器部分
２１０の作動が始められた時点から所定の時間が経過し
た後にスイッチを適宜作動させるために（例えば電流を
接地へと流すために）、簡単な通常のタイマーを備える
ことができることが理解されよう、同様に、所定の遅延
の後、或いは別の流体センサー（図示せず）からの信号
に応じて、凝縮器部分２０９を付勢してチャンバ２２０
内に残っている氷を溶解し、他方のチャンバ（図示せず
）における凍結動作を開始させることができる。さらに
再度所定の遅延を経た後に、或いはまた流体センサー（
図示せず）からの別の信号に応じて、供給用のソレノイ
ド弁２２３が開放され、流出用のソレノイド弁２２５は
閉じられる。供給される水がライン２２４を介してチャ
ンバ２２０へと入ると、浮き２２１は端部２１６が導線
２１７と接触するまで上昇する。この時点で、別の電気
信号が接地２１４へと流れてソレノイド弁２１３が閉じ
られ、また蒸発器部分２１０が付勢されて、チャンバ２
２０内における凍結サイクルが再度開始される。

第６図の蒸気圧縮凝縮コイルの構造（及び以下に説明す
る第７図のコイルの構造）は、供給される水の不純物を
高い割合（約９５％）で除去するという利点を有してい
る。供給される水の容積の上部表面から熱を奪うように
チャンバとコイル蒸発器部分が構成されているというこ
とが、この利点の基礎をなすものであろう０重力がより
不純な（密度の高い）溶液を降下させることと、表面効
果により上部の熱伝達表面へと不純物が引き上げられる
ことを合わせた結果として、供給される液体の水を冷却
するに際して不安定なレイリー−ティラー積層となる。

このことは供給された液体の水の対流混合を生じ、従っ
て形成される細氷中には不純物は殆ど捕捉されない、そ
して殆どの不純物は供給された水の凍っていない部分に
残存し、従って流出されることになる。

凝縮器部分２０９及び蒸発器部分２１０は別個の蒸気圧
縮凝結コイルの部分であってもよく（第１図の如＜）、
また同一のコイルシステム中の部分であってもよい（第
３Ａ図、第３Ｂ図及び第４図に関して記載されたタイプ
のもの）ことを銘記すべきである。

第７図は、本発明の凍結及び溶解用のコイル部分の別の
好ましい構成を示している。この第７図のシステムは、
同一のチャンバ４０１及び４０２を含む、平坦な水平方
向の凍結表面４０３がチャンバ４０１内に配置されてお
り、また平坦な水平方向の凍結表面４０４がチャンバ４
０２内に配置されている。溶解コイル４０７及び４０８
は、それぞれチャンバ４０１の壁４０５及びチャンバ４
０２の壁４０６の周りに巻かれている。ドレン流路４１
２及び４１３は選択的に開閉されて（第７図には示され
ていない弁によって）、関連するチャンバ内からリザー
バ４１４へと液体を解放する。このシステムはドレン流
路４１２及び４１３が両方とも閉じられ、チャンバ４０
２が丁度ある容積の凍結されるべき汚れた水４１５でも
って満たされ、チャンバ４０１がある容積の汚れた水４
１１とその表面に浮いている氷の層４１０を収容してい
る状態において示されている。

凍結表面４０３及び４０４の各々は、冷却コイル部分を
含んでいる。熱伝達流体（恐らくは冷却剤）が各々の冷
却コイル部分に流されて、各チャンバ内のある容積の水
の上部表面から熱を除去する０例えば、凍結表面４０３
は水４１１の上部表面から熱を奪い、これにより平坦な
水平方向の氷の層４１０を形成する。氷の層４１０は、
凍結表面４０３が消勢されるまでは時間と共に厚みが下
方へと増し、また壁４０５に向かって水平方向にも広が
る。そしてチャンバ４０１の内容物へと熱を伝達するた
めに、熱伝達流体は溶解コイル４０７内を流れるように
される。

本発明のシステムにおいては、一つ以上のチャンバの対
を含み得ることが理解されるべきであり、そのような場
合には対の各々は前述したような一対の蒸気圧縮凝結コ
イル又は単一の共通な熱伝達コイルシステムの部分と組
み合わせられる０作動に当たり、チャンバの各対の内の
一つのチャンバが凍結動作を行っているときには、他方
のチャンバは同時に溶解動作を行って　１いる。

以上の説明は単に本発明の方法及びシステムの例示及び
解説のためのものである。上記したシステムの設計及び
システム動作方法の細部の種々の変更は、特許請求の範
囲内に含まれる。

〔発明の効果〕

本発明の効果は上記したところから明らかであるが、要
するに家庭用又はレストラン用の設備に適した、簡単で
、安全で、経済的で、しかも信頼できる水の凍結浄化方
法及び装置が提供されるものである０本発明の装置には
可動部材はな（、生成した氷を掻き取ったり搬送したり
する必要性がなく、化学的置換やカートリッジの取り替
えの必要もない、また従来のように巨大な装置は必要で
なく、家庭用又はレストラン用の設備として使用するの
に適した小さなハウジング内に構成できる。さらにエネ
ルギー効率も良好であり、不純物の除去能力も極めて優
れている。

【図面の簡単な説明】

第１図は処理サイクルの間における不純な水及び浄化さ
れた水の流路を示す、本発明のシステムの一つの実施例
の部分的に概略的な簡単化された断面図である。 第２図は本発明のシステムの第１図の実施例の簡単化さ
れた側部立面図である。 第３Ａ図及び第３Ｂ図は、蒸気圧縮凝縮コイルシステム
を含む本発明のシステムの第一の好ましい実施例の簡単
化された側部立面図である。 第３Ａ図及び第３Ｂ図の各々は、システムの作動サイク
ルの異なる段階における冷却剤の流れを示している。 第４図はやはり単一の蒸気圧縮凝縮コイルシステムを含
む、本発明のシステムの別の好ましい実施例の側部立面
図である。 第５図はヒートポンプ及びヒートポンプが熱を給送する
のを助けるための熱伝達流体コイルシステムを含む、本
発明の第三の好ましい実施例の側部立面図である。 第６図は本発明のシステムの別の好ましい実施例の一つ
のチャンバの断面図である。 第７図は本発明のシステムの別の好ましい実施例の簡単
化された断面図である。 １　、２．１０１　、１０２．２２０．４０１　、４０
２−・チャンバ９．１０・−・蒸気圧縮凝縮コイル ９ａ、　１０ｂ、　１０８．２０９−＝凝縮器部分９ｂ
、　１０ａ、　１５１．２１０・−＝蒸発器部分２３．
２４，１１０−１１７，２２３．２２５・−・ソレノイ
ド弁１３９．３２０・−七一トポンプ ３０４−３０７・−・三方弁　４０３．４０４・・・−
・凍結表面４０５、４０６・−・壁　　４０７．４０８
・−・溶解コイル４１０・−・氷の層　　４１１．４１
５・−・汚れた水４１２、４１３・−・ドレン流路 出願人代理人　　　古　谷　　　馨 同　　　溝部孝彦 同　　　古谷　聡 １Ｆ工ロシ−ＢＡ− ］］ＦＩＣｒ−ヨ巳 −Ｆエロシ−〈ト一 ゴＦ工ＣＴ−５− １＝工（：ｒ−７−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　汚れた水を浄化するための方法であって、ある容積
   の汚れた水を境界内に閉じ込め； 閉じ込めた前記容積の水の実質的に境界面 のみから熱を取り出して、前記容積の汚れた水の境界面
   に隣接した氷の層を形成し； 閉じ込めた前記容積の汚れた水の凍ってい ない部分を除去して氷の層を残し； 氷を溶かすために熱を供給し；及び 氷の層の溶解に伴う浄水を流出させること を特徴とする方法。 ２　ある補助的な容積の汚れた水を補助的な境界内に閉
   じ込め； 閉じ込めた補助的な容積の汚れた水の実質 的に境界面のみから熱を取り出して、補助的な容積の汚
   れた水の境界面に隣接した氷の層を形成し； 閉じ込めた補助的な容積の汚れた水の凍っ ていない部分を除去して、閉じ込めた補助的な容積の汚
   れた水の境界面に隣接した氷の層を残し； 補助的な境界内の氷を溶かすために熱を供 給し； 補助的な境界内の氷の層の溶解に伴う浄水 を流出させ；及び 閉じ込めた前記容積からの熱の取り出しと 補助的な容積内の氷を溶解するための熱の供給、及び閉
   じ込めた補助的な容積からの熱の取り出しと閉じ込めた
   前記容積内の氷を溶解するための熱の供給は実質的に同
   時に且つ交互に連続して行われることを特徴とする、請
   求項１記載の方法。 ３　ある容積の汚れた水の上部表面に隣接して氷の層が
   形成されるにつれて前記容積の汚れた水内の不純物の重
   力分離を容易にするために、熱は前記容積の汚れた水の
   実質的に上部表面のみから取り出されることを特徴とす
   る、請求項１又は２記載の方法。 ４　ある容積の汚れた水は実質的に垂直な側部境界内に
   閉じ込められ；及び 熱は実質的に側部境界の付近のみから取り 出されて、前記氷の層を側部境界に隣接して形成するこ
   とを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。 ５　ある容積の汚れた水の凍っていない部分は氷の層か
   ら流し出されることを特徴とする、請求項１から４の何
   れかに記載の方法。 ６　熱の取り出しは、少なくとも１ｍｍの厚さの前記氷
   の層を形成するのに充分な時間だけ継続される、請求項
   １から５の何れかに記載の方法。 ７　熱の取り出しは、約１ｃｍの厚さの前記氷の層を形
   成するのに充分な時間だけ継続される、請求項６記載の
   方法。 ８　請求項１記載の方法により汚れた水を浄化するため
   の装置であって： ある容積の汚れた水を閉じ込めるためのチ ャンバと； 前記チャンバ内の水の実質的に境界面のみ から熱を取り出して、ある容積の汚れた水の境界面に隣
   接して氷の層を形成するよう配置された熱伝達手段と； 前記チャンバ内の氷を溶かすよう配置され たヒーターと；及び 前記チャンバへと汚れた水を選択的に供給 し、前記チャンバから凍っていない汚れた水を選択的に
   除去し、前記チャンバ内における氷の溶解に伴い前記チ
   ャンバから浄水を選択的に除去するための液体制御手段
   とを特徴とする装置。 ９　補助的な容積の汚れた水を閉じ込めるための補助的
   チャンバと； 前記補助的チャンバ内の水の実質的に境界 面のみから熱を取り出して、補助的チャンバ内のある容
   積の汚れた水に氷の層を形成するよう配置された補助的
   熱伝達手段と； 前記補助的チャンバ内の氷を溶かすよう配 置された補助的ヒーター手段と；及び 前記補助的チャンバへと汚れた水を選択的 に供給し、前記補助的チャンバから凍っていない汚れた
   水を選択的に除去し、前記補助的チャンバ内における氷
   の溶解に伴い前記チャンバから浄水を選択的に除去する
   ための補助的液体制御手段と、 熱伝達手段及び補助的ヒーターは、補助的 チャンバ内の氷が溶解するにつれて前記チャンバ内に氷
   の層を形成すべく実質的に同時に作動されるよう配置さ
   れていることと、及び補助的熱伝達手段及び前記ヒータ
   ーは、前記チャンバ内の氷が溶解するにつれて補助的チ
   ャンバ内に氷の層を形成すべく実質的に同時に、且つ前
   記熱伝達手段及び補助的ヒーターと交互に連続して作動
   されることを特徴とする、請求項８記載の装置。 １０　前記熱伝達手段は、前記容積の汚れた水の上部表
   面に隣接して氷の層が形成されるにつれての前記容積の
   汚れた水内の不純物の重力分離を容易ならしめるべく下
   方へと厚みが増加する実質的に水平な氷の層を形成すべ
   く、前記チャンバ内のある容積の汚れた水の実質的に上
   部表面のみから熱を取り出すよう配置されていることを
   特徴とする、請求項８又は９記載の装置。 １１　ある容積の汚れた水を閉じ込めるためのチャンバ
   は実質的に垂直な側部の壁を含んでおり；及び 熱伝達手段は前記壁に隣接して氷の層を形 成すべく実質的に前記側部の壁の付近においてのみ熱を
   取り出すよう配置されていることを特徴とする、請求項
   ８又は９記載の装置。 １２　ある容積の汚れた水の凍っていない部分を流出さ
   せるため、及び氷の溶解に伴い氷の層が形成される前記
   チャンバ内の領域の下側にある前記チャンバの下方の領
   域から水を流出させるために、前記液体制御手段は前記
   チャンバの下方の領域に連結されていることを特徴とす
   る、請求項８から１１の何れかに記載の装置。 １３　前記熱伝達手段は、少なくとも１ｍｍの厚みの氷
   の層を形成するのに充分な時間だけ熱を取り出すことを
   特徴とする、請求項８から１２の何れかに記載の装置。 １４　前記熱伝達手段は、約１ｃｍの厚みの氷の層を形
   成するのに充分な時間だけ熱を取り出すことを特徴とす
   る、請求項１３記載の装置。