WO2009090785A1

WO2009090785A1 - 省エネルギー型淡水製造装置

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Publication number: WO2009090785A1
Application number: PCT/JP2008/068930
Authority: WO
Inventors: Takashi Yabe; Yuji Satoh
Original assignee: Electra Holdings Co., Ltd.
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2009-07-23
Also published as: JP5369258B2; CN101918322A; CN101918322B; KR101236861B1; KR20100101639A; US20100288619A1; EP2248766A1; EP2248766A4; JPWO2009090785A1; AU2008347888B2; AU2008347888A1

Abstract

【課題】本発明は、簡便な装置構成を備える省エネルギー型の淡水化装置を提供することを目的とする。【解決手段】太陽光を利用した集熱装置によって海水を加熱し、この海水を放射状に形成された複数の衝突部材を備える回転体として形成されるミスト化手段に噴射することによってミストを生成する。生成したミストから発生した水蒸気は、気流形成装置による気流に乗って、デミスタを介して水平方向に並設されている熱交換器へと導かれる。熱交換器には鉛直下方向から上方向に低温の海水が流過しており、導入された水蒸気は、海水の冷熱によって凝縮し淡水となって回収される。

Description

省エネルギー型淡水製造装置

　本発明は、蒸発法による淡水製造装置に関し、より詳細には、簡便な装置構成を備える省エネルギー型の淡水製造装置に関する。

　現在、世界では１１億人が水を十分に利用できない状態にあり、西暦２０２５年には、３０億人分の水が不足すると予想されている。この点に鑑み、海水から淡水を取得する方法が種々検討されており、特に近年、海水を濾過して淡水を生成する逆浸透膜法、ならびに、海水を蒸留して淡水を生成する蒸発法が実用化されている。

　特開２００７－３０９２９５号公報（特許文献１）は、逆浸透膜法による淡水化装置を開示する。逆浸透膜法は、海水中の微粒子をあらかじめ濾過して除去する半透膜を用い、海水側に浸透圧以上の圧力を加えて淡水を取り出す方法であるが、処理海水を浸透圧以上の圧力まで加圧するのに過大な動力エネルギーを必要とするという問題があった。

　特開２００６－７０８８９号公報（特許文献２）および特開２００４－１３６２７３号公報（特許文献３）は、多段フラッシュ蒸発法による淡水化装置を開示する。多段フラッシュ蒸発法においては、複数の減圧室を必要とすることから装置が複雑かつ大型化せざるを得ないという問題に加え、海水の気化のために依然として過大なエネルギーを要するため、火力発電所などに併設してその排熱を利用せざるを得ず、淡水化装置の設置場所が限定されるという問題があった。

　さらに、特開平９－５２０８２号公報（特許文献４）が開示するスプレーフラッシュ法を用いた蒸発法においては、海水中に含まれるスケール成分がスプレーノズルに詰まり易く、装置の保守コストが過大となるという問題があった。

　将来の世界規模の水不足に対処するためには、世界中のあらゆる場所により多くの淡水化装置を設置する必要がある。そのため、淡水製造装置１台あたりの設置コストおよび保守コストを低減することができ、また、その設置場所が既存の熱源に依存することなく自由に選択可能であり、さらに、太陽光エネルギー等の自然エネルギーによって運転可能な省エネルギー型の淡水製造装置の創出が望まれていた。
特開２００７－３０９２９５号公報特開２００６－７０８８９号公報特開２００４－１３６２７３号公報特開平９－５２０８２号公報

　本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、簡便な装置構成を備える省エネルギー型の淡水化装置を提供することを目的とする。

　本発明者は、簡便な装置構成を備える省エネルギー型の淡水化装置につき鋭意検討した結果、下記に示す新規な構成に想到し、本発明に至ったのである。すなわち、自然エネルギーである太陽光を用いるなどして処理対象である原水を加熱し、この原水をノズルよりミスト化手段に噴射し、当該ミスト化手段を稼働させる。これによって原水は、粒径の小さい霧状の原水となり、空気との接触面積が増加するため、気化効率が高くなる。このようにして発生した水蒸気を当該ミスト化手段あるいはミスト流によって誘起された気流によってデミスタを通過させて、熱交換器へと導き、飽和温度まで凝縮し、淡水回収器で回収し、淡水を得る。このとき、凝縮潜熱は、原水で冷却されている熱交換器によって熱交換し、原水の温度を上昇させる。この加熱された原水は、再びミスト生成に利用されるため、水の潜熱は凝縮潜熱として回収することができる。

　すなわち、本発明によれば、ミスト生成送風ファン（ミスト化手段）と熱交換器を使用する淡水製造装置であって、太陽光等で加熱した海水で当該ファンを回転させると同時に、海水を粒径の小さな霧状にして水を蒸発させ、当該ファンあるいはミスト流によって水蒸気を熱交換器に導き、海水で冷却された熱交換器で飽和温度まで凝縮して淡水を回収する回収装置を備え、この凝縮潜熱で海水を加熱して再び霧状にするサイクル型の淡水製造装置が提供される。本発明の淡水製造装置は、前記ミスト生成送風ファンで生成した霧状の海水から、水蒸気流と霧状海水を区分けする開口率が高いミスト飛散防止隔壁を備える。また、前記ミスト生成送風ファンが粒径の小さい霧状の原水を生成すると同時に、前記ミスト生成送風ファンの軸と垂直方向へのミストの運動によって誘起される空気流が水蒸気を動力なしで熱交換器まで導く。本発明の淡水製造装置は、前記ミスト生成送風ファンの軸と垂直方向へのミストの運動を、送風に利用するために、一部に反射板を備え、特定の角度のミストを飛散させ、この角度方向に送風するとともに、生成した霧状の原水を、飛散する運動エネルギーによって気化させる。本発明の淡水製造装置においては、ミスト生成部（蒸発部）と熱交換器部が一体となっており、生成ミストが抵抗少なく循環できるような構造および機構を備えることができ、例えば、一体化したミスト生成部と熱交換器間の空気の循環を抵抗なくするために、全装置の断面形状を円形に近い円筒形状にし、その円周方向にミスト生成部と熱交換器を配置することができる。本発明においては、前記ミスト生成送風ファンを直列あるいは並列に複数配置することができ、前記ミスト生成送風ファンの形状を、海水を粒径の小さい霧状にするためにフラクタル構造にすることができる。本発明の淡水製造装置は、集水率を高くするために、複数段あるいは連続無限段となるような配置を可能とする構造を備えており、そのような構成においては、前記ミスト生成送風ファンの回転軸部とミスト生成部に相当するファンを同軸上に設置することによって、複数段の全てのファンが送風とミスト生成の両方の役割を担うことができる。本発明の淡水製造装置は、単純に積み重ねることによって容易に多段システムに拡張でき、ミスト生成ファンを上下方向に延長し、上部でミスト化されなかった原水を反射板等で下部のファンへ導き、ここで再びミスト化させる。その際、それぞれのファンから発生したミストは円周方向に層状に回転して凝縮され、各層が独立した段の装置として働き、層の数を増やすことにより、その数に逆比例して外部加熱エネルギーを減少させることができ、その結果、安価で効率的な淡水製造装置が提供される。

　上述したように、本発明によれば、簡便な装置構成を備える省エネルギー型の淡水化装置が提供される。

　以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

　図１は、本実施形態の淡水製造装置１００を示す図である。図１（ａ）は、淡水製造装置１００の上面透視図を示し、図１（ｂ）は、側面透視図を示す。

　図１に示されるように、本実施形態の淡水製造装置１００は、鉛直方向に立設されるおおよそ円筒状の容器１２と、容器１２の天井部に設置される加熱装置１４と、ミスト化手段１６と、デミスタ１８と、ラジエタ２０とを含んで構成される。容器１２の内部には、容器１２の内壁面と円柱状に形成された支柱２２の外周面によってドーナツ状の空間が画成されており、当該空間は、デミスタ１８を境にして円周方向において２つの領域に分割されている。すなわち、容器１２の内部には、処理対象の原水に含まれる水を気化させるための蒸発部Ｘと、蒸発部Ｘで発生した水蒸気を凝縮して淡水を回収するための凝縮部Ｙとがデミスタ１８を介して水平方向に並設されている。なお、以下の説明においては、処理対象の原水として海水を例にとって説明する。

　本実施形態の淡水製造装置１００においては、加熱装置１４によって温められた海水がノズル２４から蒸発部Ｘに導入される。ノズル２４の鉛直方向下側には、導入された海水を粉砕して微小な粒径の水滴群（以下、ミストとして参照する）を生成するためのミスト化手段１６が設けられている。なお、本実施形態においては、ノズル２４からミスト化手段１６への海水の導入は、自然落下による方法でもよく、加圧手段を用いて噴射してもよい。また、本実施形態においては、後述するミスト化手段１６によってミストを生成する構成を採用しているため、ノズル２４の径は、従来のスプレーフラッシュ法におけるスプレーノズルの径ほど小さくする必要がないので、海水に含まれるスケール成分による詰まりが生じない程度の大きさ（数ｍｍ～数ｃｍ）に設計することができる。そのように設計することによって、保守コストが好適に低減される。

　ミスト化手段１６は、容器１２の天井部から鉛直下向きに伸びる回転軸１６ａと、放射状に形成された複数の羽根１６ｂを備える回転体とを含んで構成されており、回転軸１６ａに対して複数の回転体が並設されている。回転軸１６ａは、回転駆動源２５に接続されており、複数の回転体は、回転駆動源２５によって高速回転するように構成されている。

　さらに、蒸発部Ｘには、ミスト化手段１６が生成したミストが気化することによって発生する水蒸気を凝縮部Ｙに運ぶ気流を形成するための気流形成手段が設けられている。図１に示す例においては、ミスト化手段１６とその近傍に配設された反射板２６が上述した気流形成手段として機能しているが、この点については、後に詳説する。

　一方、凝縮部Ｙには、熱交換器としてのラジエタ２０が設けられており、海から汲み上げられた低温の海水が圧送装置３０によってラジエタ２０に圧送されるように構成されている。ラジエタ２０内には、複数の放熱フィンを貫通する形で、鉛直下方向から上方向にパイプ２８が配管されており、ラジエタ２０から出たパイプ２８は、加熱装置１４に接続されている。以上、本実施形態の淡水製造装置１００の物理的構成について概説してきたが、次に、図２を参照して、本実施形態の淡水製造装置１００が淡水を製造する機構について説明する。

　図２は、淡水製造装置１００が淡水を製造する機構を説明するための概念図であり、図２（ａ）は、淡水製造装置１００の上面透視図を示し、図２（ｂ）は、側面透視図を示す。なお、図２においては、図１と共通する構成要素については同じ符号を用い、その説明を省略する（以下、図３～図９において同様）。

　まず、圧送装置３０によって、海水が汲み上げられ、パイプ２８を介してラジエタ２０に導入される。このとき、導入する海水の温度は低いほど好ましく、深海から低温の海水を汲み上げて導入することが好ましい。海水は、ラジエタ２０内を鉛直上方向に向けて配管されたパイプ２８の中を圧送される過程で、ラジエタ２０の放熱フィンを介して凝縮部Ｙの空気中に含まれる水蒸気と熱交換することによって、その温度を上げながら、鉛直上方向に運ばれ、容器１２の天井部に設けられた加熱装置１４に導入される。なお、図１に示したラジエタ２０の形状は、概念的に示したものであり、本発明における熱交換器は、このような形態に限定されるものではない。

　加熱装置１４に導入された海水は、所定の温度になるまで加熱された後、ノズル２４から、その鉛直方向下側に位置するミスト化手段１６に向けて放出される。加熱装置１４は、海水を沸点に至るまで加熱する必要はなく、７０～９０℃程度まで加熱すれば足りる。なお、本発明は、加熱装置１４について特に限定するものではないが、エネルギーコスト低減の観点から太陽光を利用した集熱装置を適用することが好ましい。併せて、太陽光の光エネルギーや熱エネルギーを回転運動に変換させる既知の機構によって上述した回転駆動源２５を構成することもできる。

　ミスト化手段１６に導入された海水は、回転駆動源２５によって高速で回転される複数の回転体の羽根１６ｂに衝突することによって、その一部が、衝突衝撃によって粉砕され、遠心力によって飛散する過程で風圧によってさらに分裂して微小な水滴となり、蒸発部Ｘの大気中に放散される。放散されたミストは、容器１２の蒸発部Ｘ内を浮遊する間にその一部が自然蒸発して水蒸気となる。一方、気化しなかったミストおよびミスト化されなかった海水は、そのまま鉛直下方向に落下して蒸発部Ｘの底部に到達した後、排水管３２から外部に排出される。

　蒸発部Ｘにおいて発生した水蒸気は、上述した気流形成手段によって形成された気流に乗って凝縮部Ｙに運ばれる。この点について、図２（ａ）を参照して説明する。図２（ａ）に示されるように、ミスト化手段１６の近傍には、横断面が略円弧状に形成された反射板２６が配設されている。ミスト化手段１６から飛散するミストは回転軸１６ａに対して垂直方向に等方的に運動するが、反射板２６によりその一部の飛散が遮られることによって、反射板２６の反射方向にミストの流れが形成される。このミスト流が空気の流れを誘起し、その結果、蒸発部Ｘから凝縮部Ｙに向う円周方向の気流が発生する。蒸発部Ｘで発生した水蒸気は、この気流に乗って凝縮部Ｙに運ばれる。

　図２（ａ）に示した実施形態においては、ミスト化手段１６とその近傍に配設された反射板２６とが気流形成手段として機能しており、気流形成のための追加的なエネルギーを必要としない点で有利である。しかしながら、本発明は、気流形成手段を上述した構成に限定するものではなく、図３に示すように、ミスト化手段１６の後方に送風機３４を設けることによって、蒸発部Ｘから凝縮部Ｙに向う円周方向の気流を強制的に形成することもできる。なお、本実施形態の淡水製造装置１００は、容器１２が円筒状に形成されているため、蒸発部Ｘから凝縮部Ｙに至る滑らかな空気の流れが形成されやすく、空気の送風に要するエネルギーを大きく節約することができる。

　蒸発部Ｘ内で発生した水蒸気は、上述した気流形成手段によって形成された気流と共にデミスタ１８を通過して凝縮部Ｙに導入される。なお、同じくこの気流に含まれるミスト成分は、デミスタ１８によって捕捉され凝縮部Ｙへの侵入が阻止される。なお、本実施形態においては、例えば、加熱装置１４が生成する熱などを利用してデミスタ１８を加熱することによって、さらに蒸発量を増加させることができる。

　凝縮部Ｙに導入された水蒸気は、ラジエタ２０の放熱フィンの間に形成された隙間を通過する際に、放熱フィンを介してパイプ２８の中を圧送される海水と熱交換することによって凝縮し、液化する。このようにして生成された淡水は、放熱フィンの壁面を鉛直下方向に伝って落ち、最終的に凝縮部Ｙの底部に貯留される。

　以上、説明したように、本発明の淡水製造装置は、まず、蒸発部Ｘにおいて、高い温度の海水をミスト化することによって気化効率を向上させ、海水から水蒸気を発生させる。次に、この水蒸気を気流形成手段によって形成された気流と共に凝縮部Ｙに移動させる。凝縮部Ｙに移動した水蒸気を含む空気は、海水の持つ冷熱で冷却され、その結果、飽和濃度を超える水分が凝縮し液化する。

　なお、図１に示したミスト化手段１６の形態は、単なる例示であって、本発明におけるミスト化手段は、上述した形態に限定されるものではなく、海水を効率的に細かく粉砕し、より粒径の小さい水滴に変換するために、その形態について最適化を図ることが好ましい。例えば、ミスト化手段１６の回転体の羽根の形状をフラクタル型にすることができ、回転体の形状を風車型あるいは水車型にすることもできる。また、ミスト化手段の回転体を、導入される海水の動圧によって回転するようにタービン状に構成して、ミスト化手段の回転駆動源を省略することもできる。

　また、ミスト化手段は、その設置数および大きさについても最適化を図ることが好ましい。例えば、海水を大量に導入する場合、一つの大きなミスト化手段に対して、１つの大径ノズルから大きな流量で導入するよりも、導入する海水を複数のノズルに分散し、複数のより小さなミスト化手段のそれぞれに対して、より小さな流量で導入する方が、海水をより効率的にミスト化することができる。この点につき、図４は、複数のミスト化手段１６（１）～１６（４）を備える淡水製造装置１００を示す。図４に示される例においては、各ノズル２４（１）～２４（４）から、ミスト化手段１６（１）～１６（４）に対して見合った流量の海水が導入される。本発明においては、淡水製造装置１００に導入する海水の流量に基づいて、設置するミスト化手段１６の数を設計することが好ましい。

　また、本発明におけるミスト化手段は、図１に示したミスト化手段１６のように、回転体の回転軸が鉛直方向に延在するものに限定されず、例えば、図５に示すように、回転体の回転軸が水平方向に延在するものを採用することもできる。図５に示すミスト化手段４０は、容器１２の上から吊下げ支持された５つの回転軸４２に複数の羽根車４４が並設されており、各羽根車４４に対応して位置決めされた複数のノズル４６から海水が導入されるように構成されている。

　以上、説明したことから、本発明におけるミスト化手段は、落下してくる海水を、衝突衝撃によって粉砕し、微小な水滴として大気中に飛散させることのできる全ての構成を包含するものであることが理解されるであろう。

　以上、本発明の淡水製造装置について説明してきたが、本発明の淡水製造装置は、その構造を鉛直方向に拡張することによって、熱効率的に有利な多段システムを容易に実現することができる。以下、この点について、図６および図７を参照して説明する。

　図６は、鉛直方向に拡張された淡水製造装置２００を示す。既に図１乃至図５を参照して説明してきた淡水製造装置１００の基本構成を１つのユニットとし、これを鉛直方向に複数連結することによって容易に淡水製造装置２００を構築することができる。なお、本発明は、ユニットの連結方向を限定するものではなく、例えば、ユニットを水平方向に並設することもできるが、装置の構造の簡略化の観点から、各ユニットを鉛直方向に連結することが好ましい。

　図６に示した例においては、符号Ｕ１～Ｕ５で示す５台のユニットが鉛直方向に連結されている。具体的には、各ユニット間において、凝縮部Ｙのラジエタ２０の出口と入口が接続され、各ユニット間において、蒸発部Ｘの底部とノズル２４とが接続されている。

　圧送装置３０によって汲み上げられた海水は、最初に、ユニットＵ５に導入された後、ユニットＵ４、ユニットＵ３、ユニットＵ２、ユニットＵ１の順で各ラジエタ２０内に配管されたパイプ２８を通って鉛直下方向から上方向に流過した後、加熱装置１４に導入される。加熱装置１４に導入された海水は、所定の温度にまで昇温された後、ノズル２４からユニットＵ１の蒸発部Ｘに導入される。ユニットＵ１に導入された海水の一部は、ミスト化手段１６によって一部がミスト化されて蒸発し、気化しなかったミストおよびミスト化されなかった海水がそのまま鉛直下方向に落下してユニットＵ１の底部に到達する。ユニットＵ１の底部に到達した未処理の海水は、直下に連結されたユニットＵ２に導入され、ミスト化手段１６によって一部がミスト化されて蒸発し、残りがユニットＵ２の底部に到達する。ユニットＵ２の底部に到達した海水は、その後、同様の手順で、ユニットＵ３、ユニットＵ４、ユニットＵ５に順次導入され、各ユニットにおいて、水蒸気を発生する。最終的にユニットＵ５の底部に到達した未処理の海水は、排水管３２から外部に排水される。

　一方、ユニットＵ１～Ｕ５の蒸発部Ｘで発生した水蒸気は、デミスタ１８を経て、各ユニットの凝縮部Ｙに導入され、ラジエタ２０において凝縮し液化する。生成された淡水は、各ユニットの底部に貯留されたのち、パイプ３５を通って淡水貯留槽３６に集められる。以上、図６を参照して、図１乃至図５を参照して説明してきた淡水製造装置１００の基本構成を１つのユニットとし、これを複数連結して拡張する態様について説明してきたが、次に、図７を参照して、本発明における別の拡張態様について説明する。

　図７は、鉛直方向に拡張された淡水製造装置３００を示す。淡水製造装置３００は、図６に示した淡水製造装置２００のように、複数のユニットを鉛直方向に連結するのではなく、図１乃至図５を参照して説明してきた淡水製造装置１００の構造自体を単に鉛直方向に延長することによって、淡水製造装置２００と同様に、熱効率的に有利なシステムを実現する。

　図７に示されるように、淡水製造装置３００の容器１２内には、蒸発部Ｘおよび凝縮部Ｙが充分な高さをもった連続した空間として形成されている。淡水製造装置３００において、圧送装置３０によって汲み上げられた海水は、ラジエタ２０に配管されたパイプ２８を通って鉛直上方向に圧送されたのち、容器１２の天井部に設置された加熱装置１４に導入される。加熱装置１４に導入された海水は、所定の温度にまで昇温された後、ノズル２４から蒸発部Ｘに導入される。

　淡水製造装置３００においては、蒸発部Ｘが充分な高さを持っており、ミスト化手段１６は、容器１２の天井から底部に至るまで長く連続して存在している。ノズル２４からミスト化手段１６の最上部に導入された海水は、その一部がミスト化され、ミスト化されなかった海水は、さらにより下方に位置するミスト化手段１６によってミスト化される機会を付与されながら蒸発部Ｘ内を落下する。蒸発部Ｘの底部に至るまでに気化しなかったミストおよび海水は、排水管３２から外部に排水される。

　一方、蒸発部Ｘ内の上部から下部に至る各場所でミストの一部は気化して水蒸気となるが、各場所で発生した水蒸気は、図示しない気流形成手段による気流に乗って、図中の矢印が示すように、蒸発部Ｘ内の発生した場所から凝縮部Ｙに向けて円周方向に運ばれる。凝縮部Ｙに導入された水蒸気は、蒸発部Ｘ内の水蒸気が発生した場所に対して円周方向に位置するラジエタ２０において凝縮して液化する。このようにして生成された淡水は、ラジエタ２０の放熱フィンの壁面を鉛直下方向に伝って落ち、最終的に凝縮部Ｙの底部に貯留される。

　次に、上述した本実施形態の淡水製造装置２００および淡水製造装置３００において、装置の熱効率が格段に向上する点について、図８に示す概念図を参照して、説明する。なお、図８においては、説明の便宜のため、ミスト化手段および熱交換器を省略して示し、容器１２内の空間を、上から順に、Ａ層、Ｂ層、Ｃ層、Ｄ層、Ｅ層という５つの層に分けて示す。淡水製造装置２００については、Ａ層～Ｅ層は、ユニットＵ１～Ｕ５に対応するものとして参照されたい。また、淡水製造装置３００については、Ａ層～Ｅ層は、容器１２内の連続する空間を仮想的に分割したものとして参照されたい。

　図８に示した概念図に基づき、淡水の製造工程を仮想的な数値（温度）を使用して以下説明する。最初に、圧送装置３０によって海から低温の海水（２０℃）が汲み上げられ、淡水製造装置２００に導入される。淡水製造装置２００に導入された海水は、凝縮部Ｙ内を鉛直上方向に向けて配管されたパイプ２８を通って、容器１２の天井に設置された加熱装置１４に導入される。ここで、蒸発部Ｘに導入する海水の初期温度を８０℃とする場合、装置の始動開始において、加熱装置１４は、海水を２０℃から８０℃まで加熱する必要がある。

　次に、加熱され８０℃となった海水がノズル２４からＡ層の蒸発部Ｘに導入される。Ａ層に導入された海水Ｗの一部は、ミスト化され、Ａ層を通過する過程でその一部が水蒸気Ｖ１になる。発生した水蒸気Ｖ１は、図示しない気流形成装置の形成する気流と共に、デミスタ１８を経て、同じＡ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動する。一方、Ａ層において気化しなかった残りの海水Ｗ（ミストを含む、以下同様）は、水蒸気Ｖ１の蒸発潜熱を奪われた結果、７０℃まで温度を下げ、Ｂ層に導入される。

　Ｂ層に導入された海水Ｗの一部は、ミスト化され、Ｂ層を通過する過程でその一部が水蒸気Ｖ２になる。発生した水蒸気Ｖ２は、同様に、同じＢ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動する。一方、Ｂ層において気化しなかった残りの海水Ｗは、水蒸気Ｖ２の蒸発潜熱を奪われた結果、６０℃まで温度を下げ、Ｃ層に導入される。

　Ｃ層に導入された海水Ｗの一部は、ミスト化され、Ｃ層を通過する過程でその一部が水蒸気Ｖ３となる。発生した水蒸気Ｖ３は、同様に、同じＣ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動する。一方、Ｃ層において気化しなかった残りの海水Ｗは、水蒸気Ｖ３の蒸発潜熱を奪われた結果、５０℃まで温度を下げ、Ｄ層に導入される。

　Ｄ層に導入された海水Ｗの一部は、ミスト化され、Ｄ層を通過する過程でその一部が水蒸気Ｖ４となる。発生した水蒸気Ｖ４は、同様に、同じＤ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動する。一方、Ｄ層において気化しなかった残りの海水Ｗは、水蒸気Ｖ４の蒸発潜熱を奪われた結果、４０℃まで温度を下げ、Ｅ層に導入される。

　Ｅ層に導入された海水Ｗの一部は、ミスト化され、Ｅ層を通過する過程でその一部が水蒸気Ｖ５となる。発生した水蒸気Ｖ５は、同様に、同じＥ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動する。一方、Ｅ層において気化しなかった海水Ｗは、水蒸気Ｖ５の蒸発潜熱を奪われた結果、３０℃まで温度を下げ、最終的に、排水管３２から排出される。

　Ｅ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動した水蒸気Ｖ５は、図示しないラジエタを介して、パイプ２８を通る海水と熱交換することによって凝縮し、淡水Ｆ５となる。パイプ２８を通る海水（２０℃）は、Ｅ層を通過する過程で、水蒸気Ｖ５の凝縮潜熱を受け取った結果、３０℃まで温度を上げ、Ｄ層に流入する。

　Ｄ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動した水蒸気Ｖ４は、同様に、パイプ２８を通る海水と熱交換することによって凝縮し、淡水Ｆ４となる。パイプ２８を通る海水は、Ｄ層を通過する過程で、水蒸気Ｖ４の凝縮潜熱を受け取った結果、４０℃まで温度を上げ、Ｃ層に流入する。

　Ｃ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動した水蒸気Ｖ３は、同様に、パイプ２８を通る海水と熱交換することによって凝縮し、淡水Ｆ３となる。パイプ２８を通る海水は、Ｃ層を通過する過程で、水蒸気Ｖ３の凝縮潜熱を受け取った結果、５０℃まで温度を上げ、Ｂ層に流入する。

　Ｂ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動した水蒸気Ｖ２は、同様に、パイプ２８を通る海水と熱交換することによって凝縮し、淡水Ｆ２となる。パイプ２８を通る海水は、Ｂ層を通過する過程で、水蒸気Ｖ２の凝縮潜熱を受け取った結果、６０℃まで温度を上げ、Ａ層に流入する。

　Ａ層を蒸発部Ｘから凝縮部Ｙへと移動した水蒸気Ｖ１は、同様に、パイプ２８を通る海水と熱交換することによって凝縮し、淡水Ｆ１となる。パイプ２８を通る海水は、Ａ層を通過する過程で、水蒸気Ｖ１の凝縮潜熱を受け取った結果、７０℃まで温度を上げた状態で容器１２から圧送され加熱装置１４に導入される。

　上述したように、圧送装置３０によって海から汲み上げられた低温の海水（２０℃）は、凝縮部Ｙを鉛直上方向に圧送される過程において、蒸発部Ｘから円周方向に順次移動してくる水蒸気の凝縮潜熱を受け取ることで次第に加熱され、加熱装置１４に導入される際にはその温度は７０℃にまで上昇する。したがって、装置の始動開始時こそ、加熱装置１４によって、海水を２０℃から８０℃まで加熱する必要があるものの、後の連続運転時においては、海水を７０℃から８０℃まで加熱すれば足りるため、加熱のための過大なエネルギーを必要とせず、加熱装置１４として、例えば、太陽光を利用した集熱装置を採用しても充分に運転を維持することができる。

　なお、本発明の淡水製造装置は、さらに、既知の冷却手段を付加することによって、海水の濃縮装置として構成することができる。その場合、海水が蒸発部Ｘと凝縮部Ｙとの間を循環可能にするために、蒸発部Ｘの最下部と凝縮部Ｙのラジエタの最下部に位置する入口とを、既知の冷却手段を介して接続して、蒸発部Ｘの最下部に到達した海水を冷却した後に再び凝縮部Ｙのラジエタに導入することができるようにする。図８を例にとれば、排水管３２から排出される排水（３０℃）は、冷却手段によって２０℃まで冷却されたのち、凝縮部Ｙに導入され、これを繰り返すことによって装置内を循環する。その間に、海水は、繰り返し水分が蒸発除去されることによって濃縮度を上げていく。最後に、上述した手順で濃縮度が限界まで上がった濃縮海水を回収し、当該濃縮海水から所望の成分（ナトリウム、カリウム、マグネシウム等）を精製することができる。

　以上、説明したように、本発明の淡水製造装置は、簡便な装置構成を採用しており、減圧室などの複雑な構成を必要としないため、低い設置コストで構築することができ、また、その保守コストも低減することが可能である。また、本発明の淡水製造装置は、容易に多段化して熱効率を向上させることができるため、太陽光エネルギー等の自然エネルギーによっても充分に運転することができる。

　以下、本発明の淡水製造装置について、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
　図１に示した例にならって淡水製造装置を作製した。具体的には、直径約８００ｍｍ、高さ約２００ｍｍの円筒状の容器１２を用意し、ミスト化手段１６は、１６枚の羽根１６ｂを有する直径約７０ｍｍの回転体を２個並設して作製し、蒸発部Ｘに１台設置した。

　本実施例においては、処理対象水として水に墨汁を分散させた黒い原水を用意し、以下の手順で実験を行った。上述した淡水製造装置に対し、１５℃の処理対象水をラジエタ２０の入口から流量６Ｌ／ｍｉｎで圧送し、ラジエタ２０の出口から送出された処理対象水を加熱装置１４で加熱して６０℃まで昇温した後、この処理対象水をミスト化手段１６に対して流量６Ｌ／ｍｉｎで噴射するという条件で１時間運転したところ、４１８１ｍＬの透明な水が得られた。上記条件で運転中、ラジエタ２０の出口に設置した温度計は約２５℃を示していた。

（実施例２）
　図３に示した例にならって反射板２６の代りに送風機３４を備えた淡水製造装置を作製した。なお、他の条件については、実施例１と同様とした。１時間運転した結果、６００２ｍＬの透明な水が得られた。

（実施例３）
　本発明の淡水製造装置について、鉛直方向に拡張した場合の熱効率について検証した。本実施例においては、図６に示した例にならって、実施例２で作製した淡水製造装置を一つのユニットとし、これを図９に示す態様で複数台連結して実験を行なった。具体的には、各ユニット間において、ラジエタ２０の出口と入口をビニールホースで接続し、処理対象水の導入側から見て最後尾のユニットのラジエタ２０の出口を加熱装置１４に接続し、さらに、加熱装置１４をその最後尾のユニットのノズル２４に接続し、各ユニット間において、排水管３２とノズル２４とをビニールホースで接続することによって、最高６台のユニットを連結した。

上述した淡水製造装置に対し、２０℃の処理対象水を流量６Ｌ／ｍｉｎで最初のユニットのラジエタ２０の入口から圧送し、最後尾のユニットのラジエタ２０の出口から送出された処理対象水を加熱装置１４としての電熱器で加熱して８０℃まで昇温させた後、この処理対象水を最後尾のユニットのミスト化手段１６に対して流量６Ｌ／ｍｉｎで噴射するという条件で運転した。なお、運転中、各ユニットのラジエタ２０の出口およびノズル２４の手前に設置したそれぞれの温度計Ｔによって温度を計測した。また、運転終了後、各ユニットの底部に貯留された淡水を全て回収し、その全量について計量した。

　下記表は、ユニット６台を連結して運転した場合における、各ユニットのラジエタ２０の出口およびノズル２４の手前に設置したそれぞれの温度計Ｔの測定値を示す。なお、下記表において、処理対象水が最初に導入されるユニットをユニットＮｏ．１として示し、その後、連結順にＮｏ．２～Ｎｏ．６として示した。

　図１０は、連結したユニットの数と単位時間当たりに取得された水の量（Ｌ／ｈ）と加熱装置１４が消費した電力の関係を示す。図１０に示されるように、ユニット１台で運転した場合、単位時間当たりに取得された水の量は６Ｌ／ｈであったのに対し、ユニット２台を連結して運転した場合、単位時間当たりに取得された水の量は１４Ｌ／ｈ、ユニット４台を連結して運転した場合、単位時間当たりに取得された水の量は１６Ｌ／ｈ、ユニット６台を連結して運転した場合、単位時間当たりに取得された水の量は１８Ｌ／ｈとなった。

　一方、運転のために消費した電力（すなわち、加熱装置１４が消費した電力）は、ユニット１台で運転した場合、１９ＫＷであったのに対し、ユニットの連結数が増えるにしたがって消費電力は減少し、ユニット６台を連結して運転した場合、消費電力は１０ＫＷとなった。ユニット６台を連結して運転した場合、単位時間当たりに取得された水の量は、ユニット１台で運転した場合に比較して３倍に増加したにもかかわらず、消費電力は、ユニット１台で運転した場合に比較して約半分にまで低減されたことが示された。

本実施形態の淡水製造装置を示す図。本実施形態の淡水製造装置が淡水を製造する機構を説明するための概念図。ミスト化手段の後方に送風機が設けられた淡水製造装置を示す図。複数のミスト化手段を備える淡水製造装置を示す図。回転体の回転軸が水平方向にあるミスト化手段を示す図。複数のユニットを鉛直方向に連結することによって拡張された淡水製造装置を示す図。鉛直方向に延長することによって拡張された淡水製造装置を示す図。装置の熱効率が向上する機構を説明するための概念図。実験装置を示す図。連結したユニットの数と単位時間当たりに取得された水の量（Ｌ／ｈ）と加熱装置が消費した電力の関係を示す図。

符号の説明

１００,２００,３００…淡水製造装置、１２…容器、１４…加熱装置、１６…ミスト化手段、１８…デミスタ、２０…ラジエタ、２２…支柱、２４…ノズル、２５…回転駆動源、２６…反射板、２８…パイプ、３０…圧送装置、３２…排水管、３４…送風機、３５…パイプ、３６…淡水貯留槽、４０…ミスト化手段、４２…回転軸、４４…羽根車、４６…ノズル

Claims

　処理対象である原水を加熱するための加熱手段と、
　前記加熱手段から導入された前記原水をミスト化するためのミスト化手段を含む蒸発部と、
　前記蒸発部にデミスタを介して並設され、前記蒸発部において発生した水蒸気を凝縮させるための熱交換器を含む凝縮部と、
　前記蒸発部から前記凝縮部に向かう気流を形成するための気流形成手段とを備え、
　前記処理対象である原水は、前記熱交換器を経て前記加熱手段に導入される、
淡水製造装置。
　前記ミスト化手段は、導入される前記原水を衝突衝撃によって粉砕し水滴として飛散させる手段である、請求項１に記載の淡水製造装置。
　前記ミスト化手段は、回転軸から放射状に形成された複数の衝突部材を備える回転体として形成される、請求項２記載の淡水製造装置。
　前記回転体は、タービン状に形成され、導入される前記原水の動圧によって回転する、請求項３記載の淡水製造装置。
　前記気流形成手段は、前記ミスト化手段から飛散する水滴を遮ることによって前記蒸発部から前記凝縮部に向かうミストの流れを誘起する反射板である、請求項１～４のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　前記気流形成手段は、送風機である、請求項１～４のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　鉛直方向に立設される円柱状の容器内に形成されたドーナツ状の空間の円周方向に前記蒸発部と前記凝縮部がデミスタを介して並設される、請求項１～６のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　前記熱交換器は、前記原水が鉛直下方向から上方向に流過するように構成される、請求項１～７のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　鉛直方向に延長された構造を有することを特徴とする、請求項１～８のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　処理対象である原水をミスト化するためのミスト化手段を含む蒸発部と、
　前記蒸発部にデミスタを介して並設され、前記蒸発部において発生した水蒸気を凝縮させるための熱交換器を含む凝縮部と、
　前記蒸発部から前記凝縮部に向かう気流を形成するための気流形成手段と、
を備える容器が鉛直方向に複数連結してなる淡水製造装置であって、
　各容器間の前記熱交換器は、前記原水が鉛直下方向から上方向に流過するように接続され、各容器の前記蒸発部において蒸発しなかった原水が直下に連結された他の容器の前記蒸発部に導入されるように構成されており、
　前記原水は、最下部に位置する前記容器の前記熱交換器に導入され、各容器の前記熱交換器を経て最上部に位置する前記容器の天井部に設置された加熱手段に導入されて加熱された後に最上部に位置する前記容器の前記蒸発部に導入される、
淡水製造装置。
　前記ミスト化手段は、鉛直下方向に伸びる回転軸から放射状に形成された複数の衝突部材を備える回転体を該回転軸に対して複数並設して形成される、請求項１０記載の淡水製造装置。
　前記容器は、円柱状の容器であり、該容器内に形成されたドーナツ状の空間の円周方向に前記蒸発部と前記凝縮部がデミスタを介して並設される、請求項１０または１１に記載の淡水製造装置。
　前記加熱手段は、太陽光エネルギーを利用した集熱手段である、請求項１～１２のいずれか１項に記載の淡水製造装置。
　請求項１～１３のいずれか１項に記載の淡水製造装置に冷却手段を付加して構成される濃縮装置であって、前記蒸発部の最下部に到達した前記原水が前記冷却手段によって冷却された後に前記熱交換器の最下部に位置する入口から導入され、前記原水が前記蒸発部と前記凝縮部との間を循環自在に構成される、濃縮装置。