JPS6330041B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、被濃縮液吸収層が敷設された蒸発面
を有しかつ被濃縮液供給用の溝が設けられてお
り、さらに該溝の側縁から下向きに蒸発面に向つ
て急斜面が設けられている薄板が、短い間隔を設
けて上下方向に積層されてなる多段濃縮装置にお
ける蒸発面の構造に関する。 前記多段濃縮装置としては、たとえば海水（被
濃縮液）の太陽熱利用濃縮装置として第１２図に
示すセルを用いたものが知られている。 第１２図に示すセルは、両端に海水供給用の溝
Cmおよび濃縮海水排出用の溝Dmが設けられて
いる薄板Emと、同様に溝Cnおよび溝Dnが設け
られている薄板Enとが断熱材１を介して密閉系
となるようにわずかに傾斜して積層されたもので
あり、このセルが上下方向に短い間隔を設けて積
重ねられて多段濃縮装置が構成されている。薄板
Emの下面には蒸発部として海水吸収層Smが設
けられており、該吸収層SmにはパイプPmから
供給され溝Cnに貯留されている海水が主として
毛細管現象で吸い上げられて供給されるウイツク
層が設けられている。なお、薄板Enの上面にも
凝縮水吸収層としてウイツク層を設けてもよい。 この装置の濃縮原理は熱源HSにより加熱され
た薄板Emにより海水吸収層Sm中を流れる海水
が加熱されて水を蒸発させる。生じた水蒸気は薄
板Enに至り、そこで凝縮する。そのとき凝縮潜
熱を薄板Enに与え、その熱により薄板Enを加熱
して下段のセルに熱を伝える。 凝縮水は屈曲部Lnに集められ、取出口（図示
されていない）から装置の外へ取り出される。濃
縮された海水は溝Dnに集められたのち、装置外
に取り出される。 このように従来の多段濃縮装置における被濃縮
液の供給は、被濃縮液吸収層における毛細管現象
と薄板のゆるやかな傾斜を利用したものである。 しかしそうした現象を利用する従来の装置で
は、海水などの被濃縮液の供給量に限界があり、
濃縮された溶液回収用の溝に至るまでに濃縮され
すぎ、結晶などが析出して吸収層の目詰まりなど
が生じている。 供給量の増大を図るには、蒸発部（薄板）全体
の傾斜を大きくする方法が考えられるが、そうす
ると施工作業が複雑となつたり付属品が増えたり
するほか、太陽光線などを熱源とするときは単位
面積当りの照射エネルギー量が少なくなる。その
結果、海水などの被濃縮液の加熱蒸発が充分に行
なわれないで流出してしまうなどの欠点が生じた
りするため、好ましくない。また海水吸収層を厚
くすれば供給量は増大できるが、熱伝導がわるく
なるという欠点がある。 本発明者は海水の供給部、すなわち溝Cn部分
を改良した多段濃縮装置を開発した。かかる多段
濃縮装置は第１３図に示すセルから構成されてい
る。このセルは第１２図と比較すれば明らかなよ
うに、海水供給用の溝Cm，Cnの側縁に急斜面２
が設けられている点に特徴がある。 第１３図に示されているように急斜面２を溝
Cm，Cnに設けるときは、溝Cn中の海水面と薄
板Emの急斜面２の最下点との水頭差WH₁が短
く、海水を供給するのに要する水頭差を小さくす
ることができる。すなわち、第１３図に示される
ように、溝Cm，Cnの側縁部最上点と溝Cn中の
海水面との水頭差をWH₂とすればWH₂≫WH₁と
なり、この構造にするときは、従来はWH₂の水
頭差が必要であつたのが、わずかにWH₁だけの
水頭差でよく、したがつてその分第１３図の装置
は第１２図の装置に比較して吸収層Smの吸い上
げ量が多くなる。 また、急斜面２の最下点を溝Cnの海水面下に
するときは水頭差が負になり、さらに海水の流量
が増大する。 この現象は明らかではないが、海水面と急斜面
の最下点との間でサイホン現象に類似した現象が
毛細管現象に重複して生じているのではないかと
考えられる。 本発明はさらに研究を重ねた結果、急斜面を設
けることによるサイホン作用は急斜面で消えず、
まだその作用が残つていることに着目し、急斜面
の最下点以降において被濃縮液吸収層を通してサ
イホン作用が及ぶ距離内の蒸発面に下方に向けて
少なくとも１つのステア（stair）を設けるとき
は、サイホン作用を最大限に利用することがで
き、蒸発面における被濃縮液の供給量をさらに増
大せしめうるだけでなく、その保持量をも増大せ
しめうることを見出し、本発明を完成した。 本発明でいうステアとは、段階状の段の１段の
ことであり、このステアを設けることにより薄板
の蒸発面に段差が形成される。 つぎに本発明の蒸発面の構造の実施態様を図面
に基づいて説明するが、本発明はかかる実施態様
のみに限定されるものではない。 第１図は本発明の構造を有する濃縮装置のセル
の一実施例の概略断面図であり、第１図中第１３
図と同じ符号は第１３図と同じ部分を示す。 T₁およびT₂はそれぞれステアである。最初の
ステアT₁の最下点は溝Cnの液面よりも低い方が
好ましいが、サイホン作用がステアT₂まで及ぶ
ときは、ステアT₁最下点は溝Cnの液面よりも上
でもよい。 サイホン作用の及ぶ範囲は、被濃縮液の種類、
被濃縮液吸収層の種類や厚さ、吸収層を構成する
材料と被濃縮液との接触角度、毛細管の平均直
径、被濃縮液の粒度、表面張力、比重、濃度、ス
テアまたは傾斜度などによつて異なり、それらの
組合わせにおいてそれぞれ実験的に求めればよ
い。 本発明の構造を採用するときは、少なくともサ
イホン作用が及ぶ範囲ではステアの間の薄板
Em，Enの段丘面TF₁，TF₂は水平でもよく、し
たがつて多段濃縮装置の設置方式を単純にほぼ水
平にすることができる。 さらに、従来の蒸発面のごとく平板状のもので
は、急斜面２から屈曲部Lm距離が長くなると撓
みが生ずることがある。撓みが生ずると撓みの最
下点に被濃縮液や凝縮液が溜まり、滴下してしま
う。本発明のごとく、ステアを設けるときは薄板
を補強することができ、撓みを生ずることはな
い。したがつて、サイホン作用が及ばない部分の
薄板にもステアを設けて、補強を行なつてもよ
い。 また従来は、所望の蒸留水生産能力を達成する
ために海水吸収層を厚くして海水の流量を高めて
いるが、前記のごとく本発明の構造によるときは
海水吸収層を薄くしても所望の流量で海水を供給
することができ、さらに薄板の間隔を狭くするこ
とができるため、空間の熱移動抵抗をさらに少な
くすることができる。 このように本発明の蒸発面の構造を用いるとき
は、充分な被濃縮液量を蒸発面に供給することが
できるので濃縮しすぎて結晶が析出するような事
態は生じない。したがつて、蒸発部ウイツクの被
濃縮液保持量が多く、空隙率が小さくなるからウ
イツクの熱伝導率が増大し濃縮効果率を著しく高
めることができる。 本発明に用いる薄板は加熱と凝縮の両方の作用
を果すものであり、良好な熱伝導性を有している
ものである。薄板の材質としては、適用する溶液
に腐食されないものであればよく、たとえばハロ
ゲン化金属塩の水溶液に対しては耐蝕性ステンレ
ス、チタン、モネルメタルなどを用いればよく、
そのほかポリプロピレン、フツ素樹脂、ナイロン
などの耐熱性プラスチツク板またはシートなども
使用できる。厚さｔは材料によつて異なるが、約
0.1〜10mmのものが好ましい。 吸収層は水溶液のばあい、吸収性の良好なクロ
ス、フエルト、海綿、ポリビニルフオルマール、
ナイロン、セルロース、カーボン繊維、アスベス
ト、ガラスウール、ステンレス綿、グラフアイト
混入ウレタン、樹脂発泡体などを用い、それらの
シート状物を薄板に貼着して形成する。そのほか
これらの短繊維を植毛して形成することもでき
る。有機溶液を濃縮するばあいも前記材料を同様
に使用できるが、これらのうち溶液に冒されない
ものを選び吸収層として用いればよい。吸収層の
厚さは約0.1〜10mmが好ましい。 第２〜７図に本発明の蒸発面の構造の種々の実
施態様を示す。 第２図に示す実施態様は、急斜面２の最下点を
海水面下に設定したばあいの例である。このばあ
い、ステアT₁の位置を段丘面TF₁の長さが25〜
60cm程度となるように設定するのが好ましく、段
差を約10〜50mm、ステア傾斜角度を水平に対して
30〜90度とするのが好ましい。 第３図に示す実施態様は、ステアの間隔を段階
的に広くしたときの例である。この実施態様は、
前方のステアにおける蒸発温度と後方のステアに
おける蒸発温度との差が比較的大きいばあいに有
効である。 第４図に示す実施態様は、海水供給部を水平方
向に連続して設けた例であり、蒸発量が大きくて
被濃縮液の濃度が高いばあいに有効に仂らくタイ
プのものである。 ステアは後述の第１１図に示すように海水供給
用の溝と平行に直線的に設けても、弧状に設けて
もよい。 弟５図にステアを弧状に設けたばあいの実施態
様の平面図を示す。弧状に設けるときは海水の流
れ方向に対する強度がさらに向上して、蒸発面の
変形や歪みをさらに防止することができる。 ステアは第１〜５図に示すごとく傾斜面をもつ
ようなものでもよいし、また第６図に示すように
垂直面をもつようなものでもよい。また第７図に
示すように、傾斜面をもつステアと垂直面をもつ
ステアとを組合せてもよい。 また、後述の第１０図に示すごとく隣接する薄
板間のステアの位置をずらせて、薄板間距離が長
くならないようにしてもよい。 さらに第８〜９図に示すごとく、最終ステア
T₃の傾斜面V₃の上面に熱交換用のパイプQl，
Qm，Qnを設け、該パイプに海水を通して熱交換
を行なうときは、熱効率がさらに向上する。熱交
換用のパイプを、さらに濃縮海水排出用溝Dl，
Dm，Dnの濃縮海水中に通してもよい。熱交換用
のパイプは第９図に示すごとく蛇行させる方が熱
交換率がよい。熱交換された海水は、同じセルの
海水供給用の溝に供給してもよいし、下のセルの
溝に供給してもよい。たとえば第８図に示すごと
く、熱交換用パイプQl中の海水はパイプPlから
溝Cmに供給され、パイプQm中の海水はパイプ
Pmから溝Cnに供給される。このような熱交換シ
ステムをとるときは、各セルに温度差のついた海
水を供給することができるので、各セルの温度差
を安定させることができる。 またステアとして垂直面をもつものを最終ステ
アに採用するときは、第１０図に示すように各セ
ル間の最終ステアT₃l，T₃m，T₃nの位置をずら
して熱交換室または熱交換用パイプ配設空間を形
成し、該配設空間における凝縮面上に熱交換用パ
イプQl，Qm，Qnを通せばよい。 熱交換用パイプは、熱交換用パイプが設けられ
ているステア以降では濃縮海水および凝縮水の温
度が熱交換により下がり、セル間の熱伝達がわる
くなるという点を考慮し、熱交換効率および伝達
効率の両者を調整して配設するステアの数および
位置を選定すればよく、したがつて海水供給用の
溝から遠ければ最終ステアに限定されず、またス
テアの数も１つに限定されない。 熱交換用パイプは最終ステアの傾斜面または熱
交換用パイプ配設空間に配置することが重要であ
る。その位置に配置することにより、熱交換用パ
イプの配設により広がる薄板間距離を最小限に抑
えることができる。すなわち第８図および第１０
図に示すごとくステアの位置をずらすことにより
容易に熱交換用パイプの配設空間を形成すること
ができ、段丘面に熱交換用パイプを通すばあいよ
りも薄板間距離を短くすることができ、薄板間距
離の増大による伝熱効率の低下を回避することが
できる。 さらに熱交換システムを濃縮装置内に設けるこ
とにより、装置外での熱交換が不要になり、設備
コストを低減させることができると共に、凝縮水
および濃縮水を低温度で取り出すことができる。 熱交換用パイプの断面形状は第８図に示すごと
く円形であつてもよいし、矩形であつてもよく、
任意の形状のものが使用できる。また熱交換用パ
イプはすべてのセルに設けられていてもよいし、
一部のセルのみに設けられていてもよい。 第１１図は本発明の構造を有する濃縮装置を、
太陽光線を利用する海水の多段濃縮装置に用いる
ばあいの実施態様の断面斜視図であり、３は太陽
光線をよく透過する材料、たとえばガラスまたは
透明プラスチツクカバーである。なお、もつとも
熱源側に近い薄板E₀の上面には、熱吸収をよく
するために選択吸収膜を設けるのが好ましい。装
置の側壁は、断熱材４および断熱カバー５で覆わ
れている。このように構成することにより、熱源
の熱量を効果的に利用することができる。 本発明の構造を有する濃縮装置は、前記のよう
な海水の濃縮（淡水化）のほか、ヨウ化リチウム
などのハロゲン化アルカリ金属塩や塩化カルシウ
ム、塩化マグネシウムなどのハロゲン化アルカリ
土類金属塩などの希薄水溶液の濃縮に好適に用い
られうるが、それらのみにかぎられるものではな
く、他の水溶液や有機溶液の濃縮にも適用でき
る。たとえば、グリセリン、グリコールの水溶液
またはブドウ酒のごときアルコール醗酵液の蒸溜
にも適用できる。 熱源としては、太陽熱に限らずいかなる熱源も
何ら制限なく採用することができるが、価格の点
から地熱、温泉熱、太陽熱などの天然熱源やプラ
ントなどの廃熱を利用するのが好ましい。熱源と
しては約40℃以上あればある程度の濃縮効率がえ
られるが、通常100℃前後の熱源を用いるとよい。 つぎに第１図に示すタイプのセルを用いて吸収
層の溝に沿つた方向の幅１ｍ当りの通液量を調べ
た結果を第１表に示す。セルの仕様はつぎのとお
りであつた。 仕 様 薄板：厚さ0.4mm、幅1.0ｍ、長さ3.2ｍのステンレ
ス綱板 ウイツク：厚さ1.2mmのポリエステル不織布（見
掛け密度：0.2ｇ／cm³） 急斜面：落差20mm、斜面長40mm 海水面と急斜面の最下点との間隔：０mm ステア：第１表に示す。 段丘面の傾斜度：7.5度 比較のため、ステアを設けなかつたものについ
ても同様に通液量を調べた。

【表】 なお、ステアを設けなかつたセルの通液量を
5700c.c.／hr・ｍに強制的に高めたところ、海水が
蒸発面から滴下した。 第１表に示すごとく、蒸発面にステアを設ける
ときは、通液量が増大しかつ海水や凝縮水の滴下
も生じない。 つぎに第８図に示すタイプの最終ステアに熱交
換用パイプを配設した濃縮装置を作製し、太陽熱
によつて海水の淡水化を行ない、４時間後の熱交
換用パイプ通過後の海水の温度を調べた。結果を
第２表に示す。 仕 様 薄板：厚さ0.4mm、幅1.0ｍ、長さ3.2ｍのステンレ
ス綱板 ウイツク：厚さ1.2mmのポリエステル不織布（見
掛け密度：0.2ｇ／cm³） 急斜面：落差20mm、斜面長40mm 薄板間隔（段丘面）：８mm ステア数：９個 段丘面の長さ：300mm 段差：20mm 熱交換用パイプ：外径７mm、肉厚１mmのプラスチ
ツク製パイプを濃縮海水中を１回、最終ス
テアの凝縮面上を１往復半通して、下のセ
ルの海水供給パイプに連結。ただし、上か
ら５番目までのセルのみに配設。 熱源：太陽光（受熱量：750Kcal／m²hr）

【表】

【表】 第２表に示すごとく、熱交換用パイプを配設す
るときは確実に海水温が上昇しており、しかも各
セル間の温度勾配も保たれている。この結果か
ら、熱交換用パイプを用いないばあいに比して、
装置全体の熱効率を30〜40％も高めることができ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構造を有する濃縮装置の１つ
のセルの一実施態様の概略縦断面図、第２〜４お
よび６〜７図はそれぞれ本発明の構造を有する薄
板の別の実施例態様の概略縦断面図、第５図は本
発明の構造を有する薄板の別の実施態様の概略平
面図、第８図は本発明の構造の別の実施態様の概
略断面図、第９図は第８図の実施態様の概略平面
図、第１０図は本発明の構造のさらに別の実施態
様の概略縦断面図、第１１図は第１図に示すセル
を用いた太陽光線利用の海水の濃縮装置の一実施
例態様の断面斜視図、第１２〜１３図はそれぞれ
従来の濃縮装置に用いられているセルの概略断面
図である。 図面の主要符号、２：急斜面、Cm，Cn：被濃
縮液供給用溝、El，Em，En：薄板、Dm，Dn…
濃縮液排出用溝、Ql，Qm，Qn：熱交換用パイ
プ、Sm：被濃縮液吸収層、T₁，T₂，T₃，T₄：
ステア、TF₁，TF₂：段丘面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被濃縮液吸収層が敷設された蒸発面を有しか
   つ被濃縮液供給用の溝が設けられておりさらに該
   溝の側縁から下向きに蒸発面に向つて急斜面が設
   けられている上面側を凝縮面とし下面側を蒸発面
   とする薄板が短い間隔を設けて上下方向に積層さ
   れてなる多段濃縮装置の蒸発面であつて、該急斜
   面の最下点以降において被濃縮液吸収層を通して
   サイホン作用が及ぶ距離内の蒸発面に下方に向け
   て少なくとも１つのステアが設けられていること
   を特徴とする蒸発面の構造。 ２ 前記ステアが傾斜面を有するものである特許
   請求の範囲第１項記載の構造。 ３ 前記ステアが垂直面を有するものである特許
   請求の範囲第１項記載の構造。 ４ 前記ステアのうち被濃縮液供給用の溝から遠
   いステアの傾斜面上または傾斜面の最下端近くの
   平坦面上に、被濃縮液を通すための熱交換用パイ
   プが設けられてなる特許請求の範囲第２項記載の
   構造。 ５ 前記ステアのうち被濃縮液供給用の溝から遠
   いステアの垂直面の最下端近くの平坦面上に、被
   濃縮液を通すための熱交換用パイプが配設されて
   なる特許請求の範囲第３項記載の構造。