(57)【要約】【課題】冷熱を生成して空気中に含まれる水分を凝縮させる水製造装置において、簡易な構成で冷熱を生成する。【解決手段】作動流体が封入された音響伝達管１０、１１、１２と、音響伝達管１０、１１、１２に設けられ、自然エネルギに基づいて生成される熱エネルギによって両端に温度勾配が形成され、熱音響効果によって熱エネルギから音響エネルギを生成する音響生成部１３０と、音響伝達管１０、１１、１２に設けられ、両端に温度勾配が形成されることで熱音響効果によって音響エネルギから冷熱エネルギを生成し、冷熱エネルギによって空気中の水分を凝縮させる冷熱生成部１４０と、冷熱生成部１４０で生成した凝縮水を回収する凝縮水回収部２０とを設ける。【選択図】図１
2019210647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体が封入された音響伝達管（１０、１１、１２）と、
前記音響伝達管に設けられ、自然エネルギに基づいて生成される熱エネルギによって両端に温度勾配が形成され、熱音響効果によって熱エネルギから音響エネルギを生成する音響生成部（１３０）と、
前記音響伝達管に設けられ、両端に温度勾配が形成されることで熱音響効果によって前記音響エネルギから冷熱エネルギを生成し、前記冷熱エネルギによって空気中の水分を凝縮させる冷熱生成部（１４０）と、
前記冷熱生成部で生成した凝縮水を回収する凝縮水回収部（２０）と、
を備える水製造装置。
【請求項２】
前記自然エネルギは太陽光エネルギである請求項１に記載の水製造装置。
【請求項３】
熱媒体を前記音響生成部に供給する熱媒体通路（３０）と、
前記太陽光エネルギによって前記熱媒体を加熱する集熱器（３１）と、
を備える請求項２に記載の水製造装置。
【請求項４】
前記太陽光エネルギを前記音響生成部に集中させる集光ミラー（３３）を備える請求項２に記載の水製造装置。
【請求項５】
前記凝縮水回収部は、前記冷熱生成部の重力方向下側に配置されており、
前記冷熱生成部における冷熱を生成する部位の表面に、撥水コーティングまたは親水コーティングのいずれかによって形成されたコーティング層（１４３）が設けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の水製造装置。
【請求項６】
前記作動流体は、気液相変化を生じる凝縮性流体を含んでいる請求項１ないし５のいずれか１つに記載の水製造装置。
【請求項７】
前記凝縮性流体は水であり、
前記凝縮水回収部と前記音響生成部を接続する水供給通路（２１）を備え、
前記水供給通路を介して、前記凝縮水回収部で回収された凝縮水が前記音響生成部に供給される請求項６に記載の水製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中に含まれる水分を凝縮させて水を製造する水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ヒートポンプやペルチェ素子により生成した冷熱で空気中の水蒸気を凝縮させ、水を製造する水製造装置が記載されている。水製造装置を電力供給が困難な地域で使用する場合には、ヒートポンプやペルチェ素子を駆動するための動力が必要となるが、特許文献１では電力源として太陽電池を用いることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１２５８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、水製造装置の電力源として太陽電池を用いる場合には、電池の変換効率等を考慮すると、冷熱の生成に必要な動力を得るために巨大な装置が必要となる。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、冷熱を生成して空気中に含まれる水分を凝縮させる水製造装置において、簡易な構成で冷熱を生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、作動流体が封入された音響伝達管（１０、１１、１２）と、音響伝達管に設けられ、自然エネルギに基づいて生成される熱エネルギによって両端に温度勾配が形成され、熱音響効果によって熱エネルギから音響エネルギを生成する音響生成部（１３０）と、音響伝達管に設けられ、両端に温度勾配が形成されることで熱音響効果によって音響エネルギから冷熱エネルギを生成し、冷熱エネルギによって空気中の水分を凝縮させる冷熱生成部（１４０）と、冷熱生成部で生成した前記凝縮水を回収する凝縮水回収部（２０）と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、熱音響効果を利用して熱エネルギと音響エネルギとを変換する熱音響装置を用いることで、冷熱生成に必要な動力を低減でき、自然エネルギから得られる熱源を利用して冷熱を生成することができる。このため、太陽電池のような複雑なエネルギ変換装置を用いることなく、簡易な構成で凝縮水を得ることができる。
【０００８】
なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の水製造装置の概念図である。
【図２】第１実施形態の凝縮水回収部を示す断面図である。
【図３】第２実施形態の水製造装置の概念図である。
【図４】第２実施形態の集光ミラーを示す断面図である。
【図５】第３実施形態の出力部の低温熱交換部を示す断面図である。
【図６】第４実施形態の水製造装置の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００１１】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図面を用いて説明する。本第１実施形態の水製造装置１は、熱エネルギと音響エネルギとの間でエネルギ変換する熱音響装置１０〜１４を用いて冷熱を生成する。
【００１２】
熱音響装置１０〜１４は、２つのループ配管１０、１２を直線配管１１で接続するダブルループ型となっている。これらの配管１０、１１、１２は、中空状の筒状部材であり、密閉空間を構成している。配管１０、１１、１２としては、例えば円筒形状のステンレス製配管を用いることができる。
【００１３】
配管１０、１１、１２は、内部空間に作動流体が封入されている。配管１０、１１、１２は、作動流体を介して音響エネルギを伝達可能な音響伝達管である。作動流体は、非凝縮性流体と凝縮性流体の混合物である。非凝縮性媒体は、熱音響装置１０〜１４の作動温度範囲で気液相変化しない流体である。凝縮性媒体は、熱音響装置１０〜１４の作動温度範囲で気液相変化する流体である。凝縮性流体は、主に液体の状態で入力部１３に保持されている。
【００１４】
非凝縮性流体としては、例えばヘリウム、窒素、アルゴン等の低分子量の不活性ガス、空気、水素あるいはこれらの混合物を好適に用いることができるが、異なる種類の非凝縮性流体を用いてもよい。凝縮性流体としては、例えば水、炭酸、フロンを好適に用いることができるが、異なる種類の凝縮性流体を用いてもよい。本実施形態では、非凝縮性流体として空気を用い、凝縮性流体として水を用いている。
【００１５】
入力ループ配管１０は、熱音響原動機用のループ配管である。入力ループ配管１０には、外部から熱エネルギの入力が行われる入力部１３が設けられている。入力部１３は原動機であり、熱音響効果によって熱エネルギから音響エネルギを生成する音響生成部である。つまり、入力部１３では、熱流から仕事流への変換が行われる。
【００１６】
入力部１３は、蓄熱部１３０、高温熱交換部１３１、低温熱交換部１３２を備えている。これらは、入力ループ配管１０の長手方向に沿って配置されている。蓄熱部１３０の一端側に高温熱交換部１３１が配置され、蓄熱部１３０の他端側に低温熱交換部１３２が配置され配置されている。
【００１７】
蓄熱部１３０は、熱エネルギを音響エネルギに変換するエネルギ変換部であり、多数の細孔が形成されたスタックとして構成されている。蓄熱部１３０としては、例えばセラミックスハニカムのような細かい流路が設けられた構造体、あるいはステンレス等の金属メッシュのような目の細かい金網が積層された構造体等を用いることができる。
【００１８】
高温熱交換部１３１は入熱装置であり、外部から熱エネルギが入力されることによって蓄熱部１３０の高温側端部を加熱する。高温熱交換部１３１には、第１熱媒体通路３０を流れる熱媒体が供給される。熱媒体としては、例えば水を用いることができる。
【００１９】
第１熱媒体通路３０には、太陽光エネルギで熱媒体を加熱する集熱器３１と、熱媒体を循環させるためのポンプ３２が設けられている。集熱器３１は、太陽光エネルギを熱エネルギに変換する装置であり、太陽光に含まれる赤外線を熱として利用することで熱媒体を温めることができる。高温熱交換部１３１には、集熱器３１で加熱された熱媒体が供給されることで、蓄熱部１３０の高温側端部を加熱する。
【００２０】
低温熱交換部１３２は、蓄熱部１３０の他端側を冷却する。本実施形態では、低温熱交換部１３２に第２熱媒体通路４０を介して常温の熱媒体が供給される。第２熱媒体通路４０を流れる熱媒体は、放熱器４１で大気と熱交換して常温となっている。第２熱媒体通路４０には、熱媒体を循環させるためのポンプ４２が設けられている。なお、低温熱交換部１３２は、第２熱媒体通路４０や放熱器４１を設けることなく、大気と直接熱交換する自然放熱によって冷却してもよい。
【００２１】
蓄熱部１３０は、高温熱交換部１３１で加熱される一端側が、低温熱交換部１３２で冷却される他端側よりも高温となる。このため、蓄熱部１３０の一端側が高温側端部となり、蓄熱部１３０の他端側が低温側端部となり、蓄熱部１３０の両端に温度差を形成することができる。
【００２２】
出力ループ配管１１は、熱音響受動機用のループ配管である。出力ループ配管１１には、外部にエネルギを出力する出力部１４が設けられている。出力部１４は受動機であり、音響エネルギから冷熱エネルギを生成する冷熱生成部である。つまり、出力部１４では、仕事流から熱流への変換が行われる。
【００２３】
出力部１４は、入力部１３と同様の構成であり、蓄熱部１４０、高温熱交換部１４１、低温熱交換部１４２を備えている。これらは出力ループ配管１２の長手方向に沿って配置されている。蓄熱部１４０、高温熱交換部１４１、低温熱交換部１４２は、水平方向に並んで配置されている。
【００２４】
蓄熱部１４０は、例えばセラミックスハニカムのような細かい流路が設けられた構造体、あるいはステンレス等の金属メッシュのような目の細かい金網が積層された構造体等を用いることができる。出力部１４の蓄熱部１４０は、音響エネルギを異なる種類のエネルギに変換するエネルギ消費部である。本実施形態では、蓄熱部１４０に音響エネルギが伝達されることで、熱音響効果によって配管軸方向に沿って蓄熱部１４０の両端に温度勾配が生じる。
【００２５】
高温熱交換部１４１には、第２熱媒体通路４０を流れる常温の熱媒体が供給される。なお、高温熱交換部１４１は、大気と直接熱交換することで常温となるようにしてもよい。
【００２６】
このように、高温熱交換部１４１に常温の熱媒体を供給することで、熱音響冷凍によって低温熱交換部１４２で冷熱エネルギを生成することができる。低温熱交換部１４２で生成される冷熱エネルギによって、空気中の水分が低温熱交換部１４２の表面で凝縮する。
【００２７】
図２に示すように、低温熱交換部１４２の重力方向下側には、低温熱交換部１４２で生成した凝縮水を回収するための凝縮水回収部２０が設けられている。凝縮水回収部２０は、上方が開口した容器となっている。低温熱交換部１４２の表面で凝縮した水は液滴となって、下方の凝縮水回収部２０に落下する。凝縮水は、凝縮水回収部２０で貯蔵される。
【００２８】
次に、水製造装置１の作動について説明する。入力部１３では、高温熱交換部１３１に集熱器３１で太陽光エネルギにより加熱された熱媒体が供給され、低温熱交換部１３２に外気と熱交換した常温の熱媒体が供給されることで、蓄熱部１３０に温度勾配が形成される。
【００２９】
蓄熱部１３０では、作動流体の流通方向に温度勾配が形成されることで、内部に存在する作動流体の圧縮、加熱、膨張、冷却が行われ、熱音響自励振動である音波が発生する。つまり、入力部１３では、蓄熱部１３０の両端に所定の温度条件が形成されることで、熱エネルギから音響エネルギへの変換が行われる。
【００３０】
出力部１３で生成した音響エネルギの一部は入力ループ配管１０を巡回して入力部１３に再入力し、残りは直線配管１１を通過して出力ループ配管１２を巡回する。出力部１４の蓄熱部１４０では、音響エネルギが伝達されることで、高温熱交換部１４１が設けられた一端側が高温となり、低温熱交換部１４２が設けられた他端側が低温になる。つまり、出力部１４の蓄熱部１４０では、音響エネルギから熱エネルギの変換が行われ、蓄熱部１４０の両端に温度差が生じる。
【００３１】
出力部１４は、高温熱交換部１４１が常温となっており、低温熱交換部１４２で冷熱が生成する。この冷熱によって、低温熱交換部１４２の表面で空気中の水分が凝縮する。低温熱交換部１４２の表面で凝縮した水は下方に落下し、凝縮水回収部２０で回収される。
【００３２】
以上説明した本実施形態の水製造装置１では、熱音響効果を利用して熱エネルギと音響エネルギとの間でエネルギ変換する熱音響装置１０〜１４を用いることで、冷熱生成に必要な動力を低減でき、太陽光のような自然エネルギを利用して冷熱を生成することができる。これにより、太陽電池のような複雑なエネルギ変換装置を用いることなく、簡易な構成で冷熱を生成して凝縮水を得ることができる。
【００３３】
また、本実施形態の水製造装置１は、熱源として太陽光のような自然エネルギを利用できることから、砂漠のような電力の供給が困難な地域でも利用することが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態では、作動流体として気液相変化する凝縮性流体を用いているため、低温熱源で熱音響装置１０〜１４を駆動できる。このため、低温熱源である自然エネルギを用いた場合であっても、効率よく冷熱を生成することができる。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３６】
図３、図４に示すように、本第２実施形態の入力部１３では、高温熱交換部１３１の近傍に集光ミラー３３が設けられている。集光ミラー３３は、反射光を一点に集中させる凹形状のミラーであり、高温熱交換部１３１の周囲を囲むように設けられている。集光ミラー３３によって、高温熱交換部１３１に太陽光を集中させることで、高温熱交換部１３１を加熱することができ、蓄熱部１３０の高温側を加熱することができる。
【００３７】
本第２実施形態によれば、集光ミラー３３を用いることで、太陽光エネルギによって高温熱交換部１３１を直接加熱することができる。これにより、熱媒体を介することなく、太陽光エネルギから直接高温側熱交換部１３１に入熱できるため、高温側熱交換部１３１に入熱するための構成を簡素化でき、水製造装置１を小型化することができる。
【００３８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００３９】
図５に示すように、本第３実施形態の出力部１４では、低温熱交換部１４２の表面を覆うようにコーティング層１４３が設けられている。コーティング層１４３は、撥水コーティング、または親水性コーティングのいずれかによって形成することができる。コーティング層１４３によって、低温熱交換部１４２の表面に付着した凝縮水が低温熱交換部１４２から落下することを促進することができる。
【００４０】
本第３実施形態によれば、低温熱交換部１４２の表面にコーティング層１４３を設けることで、低温熱交換部１４２の表面からの凝縮水を早期に落下させることができる。これにより、低温熱交換部１４２の表面に凝縮水が付着することに起因して低温熱交換部１４２の熱交換性能が低下することを抑制でき、水製造装置１で効率よく水を生成できる。
【００４１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００４２】
図６に示すように、本第４実施形態では、凝縮水回収部２０と入力部１３を接続する凝縮水供給通路２１が設けられている。凝縮水供給通路２１は、蓄熱部１３０の高温側端部に接続されている。凝縮水回収部２０で回収した凝縮水は、凝縮水供給通路２１を介して入力部１３に供給可能となっている。
【００４３】
凝縮水供給通路２１には、第１ポンプ２２、水貯蔵部２３、第２ポンプ２４が設けられている。凝縮水回収部２０で回収した凝縮水は、第１ポンプ２２を作動させることで水貯蔵部２３に供給され、水貯蔵部２３では凝縮水が貯蔵される。水貯蔵部２３で貯蔵された水は、必要に応じて第２ポンプ２４を作動させることで蓄熱部１３０の高温側端部に供給される。
【００４４】
本第４実施形態によれば、空気中の水分から回収した凝縮水を入力部１３に供給することで、入力部１３で凝縮性流体が蒸発して流出した場合であっても、凝縮性流体を補充することが可能となる。これにより、入力部１３で継続的に凝縮性流体を気液相変化させることできるため、水製造装置１の駆動信頼性を確保することができる。
【００４５】
（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【００４６】
（１）上記各実施形態では、入力部１３の高温熱交換部１３１を加熱するために太陽光エネルギを利用したが、これに限らず、例えば地熱エネルギのような異なる種類の自然エネルギを利用して高温熱交換部１３１を加熱してもよい。
【００４７】
（２）上記第２実施形態では、集光ミラー３３を用いて太陽光エネルギによって高温熱交換部１３１を直接加熱するように構成したが、これに限らず、例えば集光レンズ等を用いて太陽光エネルギによって高温熱交換部１３１を直接加熱するようにしてもよい。
【００４８】
（３）上記第４実施形態の構成において、水貯蔵部２３を省略し、凝縮水回収部２０で回収した凝縮水を直接蓄熱部１３０に供給するようにしてもよい。
【００４９】
（４）上記各実施形態の水製造装置１では、ダブルループ型の熱音響装置１０〜１４を用いたが、これに限らず、シングルループ型や直線型の熱音響装置を用いてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１０    入力ループ配管（音響伝達管）
１１    直線配管（音響伝達管）
１２    出力ループ配管（音響伝達管）
１３    入力部（音響生成部）
１３０  蓄熱部
１３１  高温熱交換部
１３２  低温熱交換部
１４    出力部（冷熱生成部）
１４０  蓄熱部
１４１  高温熱交換部
１４２  低温熱交換部
１４３  コーティング層
２０    凝縮水回収部
２１    凝縮水供給通路
３１    集熱器
３３    集光ミラー
【図１】
2019210647.tif 000003
【図２】
2019210647.tif 000004
【図３】
2019210647.tif 000005
【図４】
2019210647.tif 000006
【図５】
2019210647.tif 000007
【図６】
2019210647.tif 000008