JPS6221565B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、気体中の水分から水を得る造水装
置に関するものである。

従来、造水装置としては海水を原料とし、淡水
を作る装置は海水淡水化装置としてよく知られて
いる。また下水などの汚水を高度に処理して、再
利用可能な清澄度の高い水を得る水の再利用処理
装置があるが、これも海水淡水化装置と同じ範疇
の造水装置とみることができる。すなわちこれら
はいづれも水を得るにあたり液体の水を主成分と
する溶液を原料としている。このためにこれらの
造水装置は原料として液体状の水を使用する以
上、当然ながら砂漠のように全く液体状の水が得
られないところでは造水できない。

そこで、砂漠のように液体状の水が得られない
地域でも容易に水を得ることのできる造水装置が
要望されており、このような新規な造水装置が開
発されつつある。

すなわち、この新規な造水装置は大気中に存在
する水分から水を得る装置であり、大気が存在す
るかぎりどこででも造水することができる新規な
造水装置である。勿論、大気中に全く水分がなけ
れば造水は不可能であるが、気候に関する統計デ
ータおよび発明者らの調査結果では、アラビア半
島中央部の巨大な砂漠の大気であつても空気１m³
中に３〜４ｇの水分は存在し、造水は可能であ
る。したがつて、不毛の地に水を得て、人間活動
が可能となり、また、この水を潅水として利用す
ることによつて植物栽培も可能となる。すなわ
ち、この造水装置は人間の生活圏拡大に寄与する
もので、その意義はきわめて大きい。

この造水装置の基本原理は、第１の過程として
大気中の水分を吸着剤に吸着させ、ついで第２の
過程としてこの水分を吸着した吸着剤を加熱する
ことによつて吸着されていた水分を水蒸気として
脱着させ、これを凝縮器に導き水にするものであ
る。このとき同時に吸着剤は水を失つて、再び吸
着能力を回復するので、吸着剤は大気中の水分の
吸着にくりかえし使用される。このようにして、
継続的に大気中から液相の水を得ることができ
る。

第１図は以上の基本原理にもとづく先行発明に
なる造水装置の一例を示す系統構成図であり、図
において１は吸着剤１ａを収容する収容部、２及
び３はブロワ、４は第２の過程（脱着過程）で上
記収容部１から脱着された水蒸気を凝縮する凝縮
器、４ａは風冷フアン、５は加熱器で上記ブロワ
３により送給される空気をバーナ５ａによつて加
熱するものである。６は凝縮により得られた水を
貯わえる大気開放型の受水槽、６ａは造水された
水、７は前記第１の過程（吸着過程）において上
記収容部１から排出される水分吸着後の乾燥空気
を放出する放出路、７ａは上記収容部１へ外気を
導く吸込路、８は上記脱着過程で収容部１から脱
着される水蒸気を導く流路、８ａは脱着のための
気体（この場合は水蒸気）をブロワ３で付勢し、
加熱器５で加熱して収容部１に循環する経路、８
ｂは収容部１で脱着されて増加した分の水蒸気が
押し出され凝縮器４に導入されるようにした経
路、８ｃは凝縮器４で凝縮した水を受水槽６に導
く経路、９〜１２は上記外気や乾燥空気及び高温
多湿空気を送る流路に設けられた流路を開閉する
バルブである。

次に動作について説明する。まず空気中の水分
を収容部１に保持された吸着剤１ａに吸着させる
ための吸着過程（第１の過程）としてバルブ９及
びバルブ１０を開きブロワ２を駆動させて空気を
収容部１へ送給する。このとき吸着剤１ａに空気
中の水分は吸着され乾燥した空気はバルブ９を経
て収容部１から放出される。吸着剤１ａが水分を
充分吸着した段階で吸着過程は完了することにな
る。次に吸着剤１ａに吸着された水分を脱着する
脱着過程に移るわけであるが、まずバルブ９及び
バルブ１０を閉じてからバルブ１１及びバルブ１
２を開く。この脱着過程ではブロワ３、加熱器
５、凝縮器４が主な働きをするわけである。すな
わち、ブロワ３により収容部１および循環経路
８，８ａ中の気体を循環させるのであるが途中加
熱器５によつて加熱され高温（吸着剤がシリカゲ
ルの場合300℃前後）になつた気体は収容部１に
送給され、吸着剤１ａに熱を与え、吸着していた
水分は水蒸気として脱着させる。このとき上記加
熱器５から送られてきた高温気体は脱着潜熱によ
つて温度降下するが、吸着剤１ａにシリカゲルを
使用している場合は、収容部１を通過後の温度は
200℃程度になるようにブロワ３による循環風量
を決定するのが望ましい。そして、この温度は吸
着されていた水分がどこまで脱着できるかに関係
する。

なお、ブロワ３によつて循環されている気体は
脱着過程の初期は収容部１内に在存していた空気
であるが、脱着過程の経過とともに、脱着で生じ
た水蒸気によつて置換され、ごく短時間の間に実
質的には水蒸気のみとなる。脱着によつて増加し
た分に相当する水蒸気は経路８ｂを通り凝縮器４
へ押し出され、そこで水になつて経路８ｃを経て
受水槽６に導かれる。なお、経路８ｃの端末は受
水槽６を介して大気に開放しているので、脱着の
ための循環気体の圧力はほゞ大気圧である〔凝縮
器４内の圧力損失分だけ僅かに大気圧より高くな
つている〕。ところで、脱着のための循環気体
（水蒸気）の温度は200〜300℃であり、したがつ
て循環水蒸気は過熱状態の水蒸気であり、収容部
１での吸着剤１ａへの熱の供給は水蒸気の顕熱に
よつており、この循環水蒸気は吸着剤１ａへの熱
の供給によつて水となることはない。以上の脱着
過程は吸着剤１ａから水分が脱着しなくなるまで
続けられる。この脱着過程の完了後ブロワ３、加
熱器５、凝縮器４の駆動を停止させ、バルブ１１
及びバルブ１２を閉じ再び吸着過程を実施する。
以下この吸着過程及び脱着過程を繰り返し受水槽
６に水を得ることができる。

なお、この造水装置の場合、吸着剤に吸着した
水分を水蒸気として脱着するために同じ水蒸気で
脱着が可能かという疑問を生ずるが、この点につ
いては問題はない。脱着の駆動力は温度であり、
一方これと拮抗するのは確かに吸着剤の周囲の水
蒸気の分圧である。この場合、水蒸気の分圧は約
１気圧（大気圧）であり、これ以上にはならな
い。したがつて吸着剤の温度がこの１気圧に対抗
しうるよう十分高ければよいわけであり、前記の
ように300〜200℃とすれば１気圧の水蒸気分圧下
であつても残留水分３〜４％まで脱着できる。な
お、吸着過程では湿度および温度の条件によつて
も異るが、一般にはシリカゲル重量に対して10〜
20％吸着させるようにする。一方、吸着剤に熱を
供給するのは高温の気体であれば何であつてもよ
いわけで、したがつて、この場合、水蒸気がその
役割を果しているわけである。

ところで、上述の先行発明になる装置では脱着
した水蒸気を水にするための凝縮器では単に風冷
によつており、水蒸気の凝縮潜熱を無駄に大気に
放出している。その上に風冷フアンの運転のため
のエネルギを投入している。これは省エネルギの
面から大きな問題である。

この発明は上記のような問題点を解消するため
になされたもので、低品位の水を収容した凝縮・
蒸発装置により吸着剤収容部からの水蒸気を冷却
凝縮するとともに、該水蒸気の凝縮潜熱によつて
上記低品位の水を蒸発させるようにすることによ
り、空気と低品位の水の両方から高品位の水を得
ることができ、造水効率を高めることのできる造
水装置を得ることを目的とする。

第２図はこの発明の第１の実施例を示す系統構
成図で、第１図と同一部分は同一符号で示し、そ
の説明を省略する。２０は脱着過程で発生した水
蒸気を後述の低品位の水で冷却して凝縮させると
ともに、逆にこの低品位の水を蒸発させる凝縮・
蒸発器、２０ａは上記脱着水蒸気を冷却するとと
もに蒸発する（以下「蒸発冷却」という。）ため
に凝縮・蒸発器２０に供給された低品位の水、２
１は低品位の水の入口、２２は低品位の水２０ａ
が凝縮・蒸発器２０内で水を蒸発させ不純物濃度
が高くなつたときに排出する排出口、２３は凝
縮・蒸発器２０で発生した水蒸気を凝縮器４へ導
く経路、２４は凝縮・蒸発器２０内を減圧すると
ともに、凝縮器４で凝縮した水を受水槽６へ送出
する減圧ポンプ、２３ａは減圧ポンプ２４から送
出される水を受水槽６に導く経路である。減圧ポ
ンプ２４は水とともに気体も吸い出せるものでな
ければならぬので、例えばナツシユポンプ（水封
ポンプともいう。）が適している。

この実施例では、吸着過程と脱着過程とを交互
に繰返し、脱着過程において発生した水蒸気が経
路８ｂから押し出される点は第１図の先行技術と
同様である。この水蒸気は凝縮・蒸発器２０にお
いて低品位の水２０ａの蒸発潜熱によつて冷却さ
れる。すなわち、経路８ｂ中の水蒸気はほぼ１気
圧で100％水蒸気であるから、凝縮・蒸発器２０
の温度を100℃未満に保てば、経路８ｂから入る
水蒸気はすべて水となる。ところで、凝縮・蒸発
器２０の内部は減圧ポンプ２４によつて減圧され
１気圧以下になるので、その中の低品位の水２０
ａは100℃以下で蒸発し、このとき蒸発の潜熱と
して水蒸気の凝縮の潜熱を吸収する。この蒸発の
潜熱と凝縮の潜熱とは事実上等しいとみてよい。
低品位の水２０ａ中に吸湿性の物質が入つてお
り、その濃度が特に高い場合は両潜熱に差異があ
るが、そのような不純物を含む水は稀である。従
つて、凝縮・蒸発器２０において凝縮する水の量
と蒸発する水の量とは原理的には等しい。しか
し、実際には凝縮・蒸発器２０の外壁からの熱の
放散、入口２１から入つてきた低品位の水２０ａ
を蒸発温度まで昇温するための顕熱、出口２２か
ら排出される濃縮水が持ち出す熱などの熱損失が
あるため、蒸発水量は凝縮水量より１〜２割少い
のが通常である。凝縮・蒸発器２０で蒸発した水
蒸気は経路２３を経て風冷の凝縮器４に導かれ凝
縮されて水となり、この水は減圧ポンプ２４によ
つて経路２３ａを経て受水槽６へ送られる。

以上のように、この実施例装置は第１図の先行
技術になるものに比して、凝縮・蒸発器２０と減
圧ポンプ２４を付加するだけで、ほゞ２倍の高品
位の水が得られる。勿論、設備費は多少増大する
が、勿論２倍になることはない。また、運転費に
ついても減圧ポンプ２４の動力および図示しなか
つたが低品位の水の供給および濃縮水の排出にも
多少の動力が必要ではあるが、これは造水装置全
体のエネルギ消費〔主として水分脱着のための加
熱器５の熱エネルギ、および水分の吸着のために
空気を送るブロワ２のエネルギ消費である。〕に
くらべればその10〜20％である。従つて、この実
施例によれば単位量の水を得るための費用は設備
費、運転費ともに第１図の先行技術のものより大
幅に低減される。

こゝで、凝縮・蒸発器２０における温度、圧力
関係をもう少し詳しく説明する。第３図は水に関
する温度と蒸気圧との関係を示すグラフである。
この図において、Ａ点は100℃における水の蒸気
圧で勿論１気圧である。Ｂ点は90℃における水の
蒸気圧で約0.7気圧である。従つて、減圧ポンプ
２４によつて、凝縮・蒸発器２０の内圧を0.7気
圧に保てば、低品位の水２０ａは90℃の温度を保
つ。そこで、経路８ｂから凝縮・蒸発器２０へ入
つてきた１気圧の水蒸気は90℃（実際は伝熱部の
熱抵抗のため少し高くなる。）となり、すべて凝
縮して水になる。なお、90℃における水蒸気の蒸
気圧は0.7気圧であるから、１気圧の水蒸気が入
つた場合、0.3気圧分のみが水になると思われが
ちであるが、入つてくる気体が水蒸気100％の場
合は、その水蒸気の凝縮温度100℃以下であれば
何度であつても、その温度における凝縮潜熱（０
℃では600kcal／Kg−水、100℃では540kcal／Kg
−水）をうばつてやれば、入つてくる水蒸気はす
べて水になる。この実施例の場合は、この条件を
満しているので、経路８ｂから凝縮・蒸発器２０
へ入つてくる水蒸気はすべて水になるわけであ
る。なお、上記条件を満すには、低品位の水２０
ａの温度はもつと高くてもよいのであるが、実際
は伝熱面の熱抵抗を配慮して90℃程度が実際的な
値である。

ところで、第２図の実施例では凝縮・蒸発器２
０内の低品位の水２０ａは90℃、0.7気圧の水蒸
気となり、経路２３から風冷の凝縮器４に導かれ
水となつているが、この90℃、0.7気圧の水蒸気
の凝縮潜熱を用いて更に他の水を蒸発させること
ができる。

第４図はこのようにしたこの発明の第２の実施
例の要部のみを示す系統構成図である。図におい
て、２５は第１の凝縮・蒸発器２０から経路２３
を経て得られる水蒸気の凝縮潜熱を用いて入口２
１から供給される低品位の水２０ａを蒸発させる
第２の凝縮・蒸発器、２６はこの第２の凝縮・蒸
発器２５で発生した水蒸気を風冷の凝縮器４へ導
く経路、２７は第２の凝縮・蒸発器２５内を減圧
するとともに、凝縮器４で凝縮した水を経路２６
ａを通して受水槽６へ送出する減圧ポンプ、２８
は第２の凝縮・蒸発器２５中の低品位の水２０ａ
を第１の凝縮・蒸発器２０へ送給するポンプであ
る。この実施例では減圧ポンプ２４は第１の凝
縮・蒸発器２０内を減圧するとともに、第２の凝
縮・蒸発器２５で凝縮した水を経路２３ａを通し
て受水槽６へ送出するようになつている。入口２
１から入つた低品位の水２０ａは第２の凝縮・蒸
発器２５で予め昇温されてから第１の凝縮・蒸発
器２０へ供給されるので熱効率が改善される。

この第２の実施例の動作は第２図の第１の実施
例の動作説明から容易に理解できるであろう。従
つて、詳しい動作説明は省略して、温度と圧力と
の関係について少し補充説明をする。第２図の第
１の実施例と同様に、第１の凝縮・蒸発器２０の
温度は90℃とする。第２の凝縮・蒸発器２５の内
部は減圧ポンプ２７で0.47気圧に減圧すると、そ
の内部の低品位の水２０ａの温度は80℃となつて
蒸発をつづける（第３図のＣ点）。従つて、この
場合風冷の凝縮器４は80℃、0.47気圧の水蒸気を
凝縮する訳である。なお、この第２の実施例では
第１図の先行技術によるものの約３倍の高品位の
水が得られる。

以下、同様にして凝縮・蒸発器の段数を増し、
より多くの水を得ることができるが、この段数の
限界は風冷の凝縮器４の温度を何度にまでさげら
れるかで決まる。上記第２の実施例の場合、80℃
の水蒸気を凝縮するために70℃位までは低下させ
ねばならない。伝熱面積を増加し、風量を増して
60℃にまで冷やせるようにすれば、凝縮・蒸発器
をもう１段増すことができる。しかし、風冷に用
いる空気の温度が30℃であるとすると、如何に、
伝熱面積および風量を増しても30℃以下にはなら
ないので、この外気条件で伝熱面積および風量を
十分増して40℃まで冷やせるとすれば、各段間の
温度差10℃として、凝縮・蒸発器を更に２段増す
ことができる。

しかし、このように段数を多くする場合には、
むしろ、多段フラツシユ蒸発器を用いた方がよ
い。第５図はこの多段フラツシユ蒸発器を適用し
たこの発明の第３の実施例の要部のみを示す系統
構成図である。図において、３０は多段フラツシ
ユ蒸発器、３１はこの造水装置の脱着過程で生じ
た水蒸気で多段フラツシユ蒸発器３０の水を加熱
する凝縮・加熱器、３２は多段フラツシユ蒸発器
３０の蒸発水蒸気を凝縮させる凝縮部、３３はこ
の凝縮して滴下する水を受ける受皿、３４はフラ
ツシユ蒸発部、３５は低品位の水を吸込む管路、
３５ａは多段フラツシユ蒸発器３０の凝縮部３２
を通つて昇温された低品位の水を凝縮・加熱器３
１へ送給する経路、３５ｂはこの凝縮・加熱器３
１で更に加熱された低品位の水を多段フラツシユ
蒸発器３０のフラツシユ蒸発部３４へ送給する経
路、３６はこの低品位の水を送給するポンプ、３
７は受皿３３に滴下した水の取出口、３８はこの
水を経路３７ａを通して受水槽６へ送出するポン
プ、３９は多段フラツシユ蒸発器３０を経て濃縮
された低品位排水の排出口、４０はこの排水を排
出するポンプ、４１は多段フラツシユ蒸発器３０
に附属する減圧ポンプ（抽出ポンプと呼ばれ
る。）である。なお、凝縮・加熱器３１で凝縮し
た脱着水分は流路８ｃを経て受水槽６へ送出され
る。

この多段フラツシユ蒸発器３０自体は海水淡水
化装置などに使用されて、周知のものであるから
その動作の説明は省略する。この実施例では造水
装置の空気中から水分を吸着し、これを脱着させ
る吸脱着部と上記多段フラツシユ蒸発器３０とを
凝縮・加熱器３１を介して結合し、脱着過程で生
じた水蒸気を多段フラツシユ蒸発器３０の熱源と
した点に要点がある。従つて、凝縮・加熱器３１
と多段フラツシユ蒸発器３０との温度関係が重要
であり、第６図はこの関係を第５図の各部配置に
対応づけて示す線図である。図示のように、点Ａ
は低品位の水の流入口、点Ｂは凝縮・加熱器３１
への昇温された低品位の水の流入経路３５ａ、点
Ｃは凝縮・加熱器３１で更に加熱された低品位の
水の多段フラツシユ蒸発器３０への送給経路３５
ｂ、点Ｄは多段フラツシユ蒸発器３０で濃縮され
た低品位の水の排出口３９に対応する。

点Ａにおいて多段フラツシユ蒸発器３０の凝縮
部３２へ冷媒として導入された温度t₁の低品位の
水は、上記凝縮部３２を通過する間に昇温して、
点Ｂでは温度t₂となつて凝縮・加熱器３１へ送ら
れ、加熱されて温度t₃となつて送出され、点Ｃか
ら経路３５ｂを経て多段フラツシユ蒸発器３０の
フラツシユ蒸発部３４へ導入される。この温度t₃
の水はフラツシユ蒸発部３４の各段を通過する間
に蒸発し、それに伴つて温度も階段状に低下し、
最後には点Ｄにおいて温度t₄となつてポンプ４０
によつて排出される。

ところで、凝縮・加熱器３１へ送られてくる脱
着水蒸気は前述のように１気圧であるので、温度
t₃は原理的には100℃にすることができるが、実
際は伝熱抵抗その他の理由で約10℃の温度差を生
じ、約90℃となる。ところで、多段フラツシユ蒸
発器は排熱利用の目的で60℃程度で動作させてい
る例もあり、この実施例のように90℃であれば充
分動作させることができる。このようにして、フ
ラツシユ蒸発部３４で蒸発した水蒸気は凝縮部３
２において凝縮して受皿３３、経路３７を経てポ
ンプ３８によつて経路３７ａから受水槽６へ水を
供給する。従つて高い造水効率が達成できる。

なお、上記各実施例では吸着剤の収容部を１個
のみ設けた場合について説明したが、脱着水蒸気
を連続的に得られるように、収容部を複数個設
け、交互にまたは時間的に順次ずらして運転する
方式の造水装置にもこの発明は適用される。

さらに、以上の実施例は気中の水分の吸収剤と
して固形粒状の吸着剤を使用することを想定した
ものであつたが、液体状の吸収剤としては、塩化
リチウム（LiCl）、臭化リチウム（LiBr）、エチ
レングリコール、グリセリンなどの水溶液がよく
知られており、これらを空気中の水分の吸収剤と
して使用することができる。

第７図はこの液体状の吸収剤を用いたこの発明
の第４の実施例の要部を示す系統構成図である。
これまでの実施例と同一部分は同一符号で示し、
その説明を省略する。図において、４２は水分吸
収部、４２ａは液状吸収剤、４２ｂは吸収部４２
の外気吸込口より上部に充填され外気放出路への
空気の流通を許す例えばラシヒリングなどの充填
材、４２ｃは吸収剤を散布するノズル、４３は吸
収剤を循環させるポンプ、４４は熱交換器、４５
は水分脱離部、４５ａはその加熱用バーナ、４６
は吸収剤の水分吸収循環路、４７はその水分脱離
循環路である。

ポンプ４３で循環する吸収剤の一部は水分吸収
循環路４６を通つてノズル４２ｃから充填材４２
ｂに散布され、その表面をぬらし、空気との接触
面積が増大され空気中の水分を充分吸収して、吸
収部４２の底部へ戻る。水分を含んで淡くなつて
ポンプ４３で吸出された吸収剤の残部は水分脱離
循環路４７へ入り、熱交換器４４を経て水分脱離
部４５へ送給されバーナ４５ａで加熱され、吸収
水分は水蒸気として脱離される。そして、この脱
離された水蒸気は経路８ｂを通つて、多段フラツ
シユ蒸発器３０に熱を供給するための凝縮・加熱
器３１に導入される。一方、水分脱離部４５で濃
縮された吸収剤は前記の熱交換器４４で吸収部４
２から脱離部４５に入つてくる淡い吸収剤と熱交
換を行い、低い温度となつて吸収部４２へもど
る。脱離水蒸気は凝縮・加熱器３１で凝縮して水
となつて経路８ｃへ送出され、その凝縮潜熱は多
段フラツシユ蒸発器３０で低品位の水の蒸発に用
いられ、こゝでも高品位の水が得られ、良好な造
水効率が得られる。

なお、上記説明ではこの発明を大気中の水分を
原料として水を得る場合について述べたが、必ず
しも大気に限定されるものではない。

以上のようにこの発明にかかる造水装置によれ
ば、冷却水を収容した凝縮・蒸発器により水蒸気
を冷却凝縮して水を得るとともに、該水蒸気の凝
縮潜熱を利用して上記冷却水を蒸発させるように
したので、空気と低品位の水の両方から高品位の
水を得ることができ、造水効率を高めることがで
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は先行発明になる造水装置の一例を示す
系統構成図、第２図はこの発明の第１の実施例を
示す系統構成図、第３図は水に関する温度と蒸気
圧との関係を示すグラフ、第４図はこの発明の第
２の実施例の要部のみを示す系統構成図、第５図
は多段フラツシユ蒸発器を用いたこの発明の第３
の実施例の要部のみを示す系統構成図、第６図は
この第３の実施例について各部の温度関係をその
位置に対応づけて示す線図、第７図は液状の水分
吸収剤を用いたこの発明の第４の実施例の要部を
示す系統構成図である。 図において、１は吸着剤収容部、４２は水分吸
収部、１ａは吸着剤、４２ａは液状吸収剤、５は
脱着用加熱器、４５は脱離部、４は凝縮器、２
０，２５は凝縮・蒸発器、３１は凝縮・加熱器、
３０は多段フラツシユ蒸発器、２１，３５は低品
位の水の取入口、６はこの造水装置で得られた水
の受水槽である。なお、図中同一符号は同一また
は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水分を含んだ空気の供給を受け該空気中の水
   分を吸収する吸着剤を収容した吸着剤収容部と、 該収容部に加熱空気を送り込み上記吸着剤に吸
   着された水分を脱離させるための加熱器と、 低品位の水を収容し該水により上記吸着剤収容
   部からの水蒸気を冷却凝縮して高品位の水を得る
   とともに該水蒸気の凝縮潜熱によつて上記低品位
   の水を蒸発させる凝縮・蒸発器と、 該凝縮・蒸発器からの水蒸気を冷却凝縮し高品
   位の水を得る凝縮器とを備えたことを特徴とする
   造水装置。 ２ 上記凝縮・蒸発器が複数個相互に縦続接続し
   て設けられていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の造水装置。