(57)【要約】【課題】エネルギー消費量を抑制しながらも充分に液状の水できる水製造方法及び水製造装置を提供する。【解決手段】本発明の水製造方法は、大気中に含まれる水を吸湿剤２１に吸着させる工程と、吸湿剤２１の周囲を減圧して、吸湿剤に吸着させた水を蒸発させて、水を含む高湿気体を発生させる工程と、前記高湿気体に含まれる水を液化する工程とを有する。本発明の水製造装置は、吸湿剤２１を内部空間に備える吸湿器２０と、前記内部空間に大気を供給する大気供給用ファン１０と、前記内部空間を減圧して吸湿剤２１に吸着した水を蒸発させる真空ポンプ３０と、吸湿剤２１から蒸発させた水を含む高湿気体を移送する高湿気体移送用配管７６とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸湿剤に大気を接触させて、大気中に含まれる水を前記吸湿剤に吸着させる第１工程と、
前記吸湿剤の周囲を減圧して、前記吸湿剤に吸着させた水を蒸発させて、水を含む高湿気体を発生させる第２工程と、
前記高湿気体に含まれる水を液化する第３工程と、
を有する、水製造方法。
【請求項２】
前記第３工程では、前記高湿気体を冷却して前記高湿気体に含まれる水を凝縮して液化する、請求項１に記載の水製造方法。
【請求項３】
前記第３工程では、前記高湿気体と、水が吸着した前記吸湿剤との間で熱交換することにより、前記高湿気体を冷却して前記高湿気体に含まれる水の少なくとも一部を液化すると共に前記吸湿剤を加熱する、請求項２に記載の水製造方法。
【請求項４】
前記吸湿剤と熱交換した前記高湿気体をさらに冷却して、前記高湿気体に含まれる水を液化する、請求項３に記載の水製造方法。
【請求項５】
前記第２工程と前記第３工程とを同時並行して行う、請求項１から４のいずれか一項に記載の水製造方法。
【請求項６】
前記吸湿剤として多孔質体を用いる、請求項１から５のいずれか一項に記載の水製造方法。
【請求項７】
前記多孔質体として、イオン交換樹脂、シリカゲル、及び多孔性樹脂よりなる群から選ばれる１種以上を用いる、請求項６に記載の水製造方法。
【請求項８】
吸湿剤を内部空間に備える吸湿器と、
前記内部空間に大気を供給する大気供給用ファンと、
前記内部空間を減圧して前記吸湿剤に吸着した水を蒸発させる真空ポンプと、
前記真空ポンプの吐出口に接続され、前記吸湿剤から蒸発させた水を含む高湿気体を移送する高湿気体移送用配管と、
を備える、水製造装置。
【請求項９】
前記高湿気体移送用配管の少なくとも一部は、前記高湿気体より低い温度の雰囲気に設置されている、請求項８に記載の水製造装置。
【請求項１０】
前記高湿気体移送用配管が前記吸湿器の前記内部空間に通されている、請求項８又は９に記載の水製造装置。
【請求項１１】
前記高湿気体移送用配管に接続された貯水タンクと、前記貯水タンクの上部に取り付けられた凝縮器とをさらに備える、請求項８から１０のいずれか一項に記載の水製造装置。
【請求項１２】
前記吸湿剤が多孔質体である、請求項８から１１のいずれか一項に記載の水製造装置。
【請求項１３】
前記多孔質体が、イオン交換樹脂、シリカゲル、及び多孔性樹脂よりなる群から選ばれる１種以上である、請求項１２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、大気から水を製造する水製造方法及び水製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
河川及び湖沼が少ない国又は地域においては、水資源として地下水を利用することが多いが、近年、地下水の枯渇による水不足が懸念されている。
水不足は、飲料水不足になるだけでなく、砂漠化を進行させるため、穀物収穫量の減少及び家畜の死亡率上昇が生じて食糧不足を招く原因になる。また、水を使用する工場においては、水不足によって生産停止を余儀なくされることがある。さらに、地下水の過剰利用によって、地盤沈下、及び地下水位低下による水質の悪化が生じることがある。
そこで、水不足を解消する目的で、様々な水製造装置が開発されている。例えば、水製造装置の一例として、大気を冷却する冷却装置を備え、大気中の水蒸気を液化させて回収する装置が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２４３９９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、特許文献１に記載の装置では、大気を冷却する冷却装置を使用するため、エネルギー消費量が多くなる傾向にあり、しかも水の製造量が充分でないことがあった。
本発明は、エネルギー消費量を抑制しながらも充分に液状の水を製造できる水製造方法及び水製造装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の態様を包含する。
本発明の一態様の水製造方法は、吸湿剤に大気を接触させて、大気中に含まれる水を前記吸湿剤に吸着させる第１工程と、前記吸湿剤の周囲を減圧して、前記吸湿剤に吸着させた水を蒸発させて、水を含む高湿気体を発生させる第２工程と、前記高湿気体に含まれる水を液化する第３工程と、を有する。
前記態様の水製造方法における前記第３工程では、前記高湿気体を冷却して前記高湿気体に含まれる水を凝縮して液化してもよい。
前記態様の水製造方法における前記第３工程では、前記高湿気体と、水が吸着した前記吸湿剤との間で熱交換することにより、前記高湿気体を冷却して前記高湿気体に含まれる水の少なくとも一部を液化すると共に前記吸湿剤を加熱してもよい。
前記態様の水製造方法においては、前記吸湿剤と熱交換した前記高湿気体をさらに冷却して、前記高湿気体に含まれる水を液化してもよい。
前記態様の水製造方法においては、前記第２工程と前記第３工程とを同時並行して行ってもよい。
前記態様の水製造方法においては、前記吸湿剤として多孔質体を用いることが好ましい。前記多孔質体として、イオン交換樹脂、シリカゲル、及び多孔性樹脂よりなる群から選ばれる１種以上を用いることが好ましい。
本発明の一態様の水製造装置は、吸湿剤を内部空間に備える吸湿器と、前記内部空間に大気を供給する大気供給用ファンと、前記内部空間を減圧して前記吸湿剤に吸着した水を蒸発させる真空ポンプと、前記真空ポンプの吐出口に接続され、前記吸湿剤から蒸発させた水を含む高湿気体を移送する高湿気体移送用配管と、を備える。
前記態様の水製造装置においては、前記高湿気体移送用配管の少なくとも一部が、前記高湿気体より低い温度の雰囲気に設置されてもよい。
前記態様の水製造装置においては、前記高湿気体移送用配管が前記吸湿器の前記内部空間に通されてもよい。
前記態様の水製造装置においては、前記高湿気体移送用配管に接続された貯水タンクと、前記貯水タンクの上部に取り付けられた凝縮器とをさらに備えてもよい。
前記態様の水製造装置においては、前記吸湿剤が多孔質体であることが好ましい。前記多孔質体は、イオン交換樹脂、シリカゲル、及び多孔性樹脂よりなる群から選ばれる１種以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の水製造方法及び水製造装置によれば、エネルギー消費量を抑制しながらも充分に液状の水を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の水製造装置の第一実施形態を示す概略図である。
【図２】本発明の水製造装置の第二実施形態を示す概略図である。
【図３】本発明の水製造装置の他の実施形態を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜第一実施形態＞
（水製造装置）
本発明の水製造装置の第一実施形態について説明する。
図１に、本実施形態の水製造装置を示す。本実施形態の水製造装置１は、大気供給用ファン１０と吸湿器２０と真空ポンプ３０と貯水タンク４０と凝縮器５０と加熱気体供給用ヒータ６０とを備える。また、水製造装置１は、大気用配管７１と、加熱気体用配管７２と、排出用配管７３と、大気放出用配管７４と、真空ポンプ接続用配管７５と、高湿気体移送用配管７６と、凝縮器接続用配管７７とを備える。
前記各構成については、以下に説明する。
【０００９】
大気供給用ファン１０は、大気を取り込んで吸湿器２０に移送するためのファンである。本実施形態における大気供給用ファン１０は、取り込んだ大気を、大気用配管７１を介して吸湿器２０に移送する。
大気供給用ファン１０の送風能力は、例えば、大気の温度及び湿度、目的とする水製造量、吸湿器２０の吸湿能力、真空ポンプ３０の能力等に応じて適宜決められる。例えば、大気供給用ファン１０の送風能力は、１０ｍ３／ｈ以上１０万ｍ３／ｈの範囲とされる。大気供給用ファン１０の種類としては特に制限がなく、例えば、遠心送風機、軸流送風機等を使用できる。
【００１０】
本実施形態における吸湿器２０は、吸湿剤２１と、吸湿剤２１を内部空間に備える容器２２とを有する。吸湿剤２１と前記内部空間によって吸湿床を形成する。
吸湿剤２１は、水を吸着可能な物質である。水の吸着量が多くなることから、吸湿剤２１は多孔質体であることが好ましい。多孔質体の吸湿剤２１としては、例えば、イオン交換樹脂、シリカゲル、多孔性樹脂、モレキュラーシーブ、ゼオライト、酸化アルミニウム、活性炭等が挙げられる。吸湿剤２１は１種を単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
多孔質体の比表面積としては、例えば４００ｍ２／ｄｒｙ−ｇ以上１２００ｍ２／ｄｒｙ−ｇ以下とされる。比表面積が大きい程、多孔度が大きい。ここでいう表面積は、窒素吸着によって測定されるＢＥＴ比表面積であり、ＢＥＴ比表面積測定装置によって測定される。
本発明において、吸湿剤２１に吸着した水は気体又は液状の水であり、大気中に含まれる水は水蒸気である。
【００１１】
吸湿剤２１のなかでも、大気中の水の吸着性及び減圧時の水の脱離性に優れることから、イオン交換樹脂、シリカゲル、及び多孔性樹脂よりなる群から選ばれる１種以上が好ましく、イオン交換樹脂がより好ましく、カチオン型イオン交換樹脂がさらに好ましい。吸湿剤２１がカチオン型イオン交換樹脂であると、大気中の、水以外の成分（例えば、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等）が吸着しにくいため、得られる液状の水の純度をより高めることができる。また、カチオン型イオン交換樹脂は、比較的高温（例えば３５℃超６０℃未満）での水吸着性が高いため、大気の温度が高い場合には、吸湿剤２１としてカチオン型イオン交換樹脂を用いることが好ましい。
イオン交換樹脂における官能基としては、カチオン型イオン交換樹脂においては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基等が挙げられ、アニオン型イオン交換樹脂においては、例えば、第四級アンモニウム基、第三級アミノ基等が挙げられる。
また、シリカゲルは高温高湿（例えば３５℃超６０℃未満且つ相対湿度６５％以上１００％以下）条件下での水の吸着性に優れるため、大気が高温高湿である場合には、吸湿剤２１としてシリカゲルを用いてもよい。但し、低温又は低湿であっても、吸湿剤２１としてシリカゲルを使用することができる。
多孔性樹脂、例えばイオン交換樹脂の担体となる樹脂は、水の吸着性についての温度依存性及び湿度依存性が小さい。そのため、例えば、０℃以上３５℃以下の空気に対しても吸湿能を発揮する。また、温度及び湿度が大きく変化する環境下において、多孔性樹脂を用いると、水の製造量を予測しやすい。
吸湿剤２１として活性炭を使用すると共に、吸湿剤２１に送る前に大気中の不純物を除去するフィルタとして活性炭を使用する場合には、フィルタの活性炭での水の吸着量が多くならないように、フィルタに用いる活性炭の種類及び量を選択することが好ましい。
【００１２】
吸湿剤２１は、容器２２内で流動不能に充填されてもよいし、容器内で流動可能に充填されてもよい。以下、吸湿剤２１が容器２２内で流動不能に充填されている吸湿器２０は固定床式吸湿器といい、吸湿剤２１が容器２２内で流動可能に充填されている吸湿器２０は流動床式吸湿器という。
大気中の水の吸着量がより多くなる点では、吸湿器２０は流動床式吸湿器であることが好ましい。吸湿器２０が流動床式吸湿器である場合には、容器２２の下部に大気用配管７１が接続されることが好ましい。大気供給用ファン１０を稼働させて吸湿器２０に大気を送り込んだ際には、容器２２の下部から大気が噴出し、吸湿剤２１が容器２２内にて舞い上がり、浮遊する。このように吸湿剤２１を容器２２内にて流動させると、大気との接触機会が多くなるため、吸湿剤２１が水をより吸着しやすくなる。
【００１３】
容器２２は、槽であってもよいし、塔であってもよく、本態様の水製造装置１の設置場所、気候等の条件によって適宜選択すればよい。容器２２の容積は、目的とする水の製造量に応じて適宜決めればよい。例えば、容器２２の容量は、１０Ｌ以上１０万Ｌ以下の範囲とされる。
【００１４】
真空ポンプ３０は、吸湿剤２１の周囲を減圧して吸湿剤２１に吸着した水を蒸発させるための機器である。真空ポンプ３０によって、吸湿剤２１から水を蒸発させて、水（水蒸気）を含む高湿気体を得る。
真空ポンプ３０としては、例えば、ロータリーポンプ、ダイヤフラムポンプ等を使用できる。真空ポンプ３０の能力は、例えば、吸湿剤２１の量、大気中の水の含有量（湿度）、吸湿剤２１に吸着する水の量等に応じて適宜選択すればよい。例えば、真空ポンプ３０の能力は、２０ｍ３／ｈ以上１８００ｍ３／ｈ以下の範囲とされる。
真空ポンプ３０が稼働している際には、真空ポンプ３０の吸引口側は減圧されるが、吐出口側はほぼ大気圧となる。本実施形態では、高湿気体移送用配管７６の内部はほぼ大気圧になる。
【００１５】
貯水タンク４０は、真空ポンプ３０を通過した高湿気体に含まれる水を液化させた液状の水を貯めるタンクである。貯水タンク４０の容積は、本態様の水製造装置１によって製造される水の量、水の消費量等に応じて適宜決められる。例えば、貯水タンク４０の容量は、５Ｌ以上１０万Ｌ以下の範囲とされる。
本実施形態においては、貯水タンク４０の下部に、得られた水を水使用設備等に供給するための水供給用配管４１が接続されている。水供給用配管４１には、第５開閉弁４１ａが取り付けられている。
【００１６】
凝縮器５０は、高湿気体移送用配管７６を通って貯水タンク４０に達した気体（高湿気体）を冷却して水を液化する機器である。貯水タンク４０に到達した気体は、まだ液化していない水が多く含まれている高湿気体である場合がある。そのため、凝縮器５０によって、貯水タンク４０に達した高湿気体中に残っている水を凝縮して液化する。
凝縮器５０は、貯水タンク４０の上部に接続された凝縮器接続用配管７７を介して、貯水タンク４０に取り付けられていることが好ましい。
本実施形態において使用される凝縮器５０は、高湿気体を凝縮するための凝縮用配管５１と、凝縮用配管５１の周囲に設けられた冷却部５２とを備える。
凝縮用配管５１は、液化した水が重力によって下方に流れ落ちるよう、ほぼ鉛直方向に沿って設けられることが好ましい。ここで、ほぼ鉛直方向とは、水平方向に対して９０°±４５°のことである。また、高湿気体の冷却効率を高め、水の回収量を増やす点から、凝縮用配管５１は複数本であってもよい。
冷却部５２は、冷媒が充填される部分である。冷媒としては、例えば、空気、水、フロン等が挙げられる。本実施形態では、容易に使用できる点から、空気、水が好ましい。冷媒の温度は、凝縮用配管５１内の高湿気体の温度より低くし、例えば０℃以上２５℃以下とする。通常、冷却部５２の内部は冷媒が循環するようになっており、冷却部５２に冷媒を導入するための冷媒導入用配管５２ａと、冷却部５２から冷媒を導出する冷媒導出用配管５２ｂが設けられていることが好ましい。
【００１７】
本実施形態における加熱気体供給用ヒータ６０は、真空ポンプ３０によって吸引された大気を加熱して加熱気体を調製する機器である。加熱気体は、加熱気体用配管７２を介して吸湿器２０に供給される。但し、後述するように、加熱気体の供給は、吸湿剤２１から水を蒸発させるときのみとすることが好ましい。
【００１８】
大気用配管７１は、大気供給用ファン１０から送気された大気を吸湿器２０に移送するための配管である。大気用配管７１には、第１開閉弁７１ａが取り付けられている。本実施形態においては、大気用配管７１は、吸湿器２０の容器２２の下部に接続されている。
加熱気体用配管７２は、加熱気体供給用ヒータ６０によって調製された加熱気体を吸湿器２０に移送するための配管である。加熱気体用配管７２には、第２開閉弁７２ａが取り付けられている。
大気用配管７１及び加熱気体用配管７２の少なくとも一方には、必要に応じて、ＰＭ２．５等の粒子状物質を捕捉して除去する粒子除去フィルタが取り付けられてもよいし、塩分を除去するための塩分除去フィルタが取り付けられてもよい。
また、大気用配管７１及び加熱気体用配管７２の少なくとも一方には、必要に応じて、窒素酸化物（ＮＯｘ）及び硫黄酸化物（ＳＯｘ）を捕捉して除去する酸化物除去フィルタが取り付けられてもよい。酸化物除去フィルタとしては、例えば、アニオン活性炭等が使用される。
【００１９】
排出用配管７３は、吸湿器２０から排出された気体を、大気放出用配管７４又は真空ポンプ接続用配管７５に送るための配管である。具体的に、排出用配管７３の一方の端部である第１端部は、吸湿器２０の容器２２に接続され、他方の端部である第２端部は、大気放出用配管７４及び真空ポンプ接続用配管７５に接続されている。本実施形態における排出用配管７３は、吸湿器２０の容器２２の上部に接続されていることが好ましい。
【００２０】
大気放出用配管７４は、排出用配管７３を通った空気を、大気中に放出するための配管である。具体的に、大気放出用配管７４の一方の端部である第１端部は、排出用配管７３に接続され、大気放出用配管７４の他方の端部である第２端部は、大気中に開放されている。
大気放出用配管７４には、第３開閉弁７４ａが取り付けられている。
【００２１】
真空ポンプ接続用配管７５は、排出用配管７３を通った空気を、真空ポンプ３０に送るための配管である。具体的に、真空ポンプ接続用配管７５の一方の端部である第１端部は、排出用配管７３に接続され、真空ポンプ接続用配管７５の他方の端部である第２端部は、真空ポンプ３０に接続されている。通常、真空ポンプ接続用配管７５を通る空気は、吸湿剤２１から蒸発した水を含む高湿気体である。
真空ポンプ接続用配管７５には、第４開閉弁７５ａが取り付けられている。
【００２２】
高湿気体移送用配管７６は、真空ポンプ３０から吐出された高湿気体を貯水タンク４０に向けて移送するための配管である。また、高湿気体移送用配管７６は、高湿気体に含まれる水が凝縮して液化した水を貯水タンク４０に送るための配管でもある。具体的に、高湿気体移送用配管７６の一方の端部である第１端部は、真空ポンプ３０の吐出口に接続され、高湿気体移送用配管７６の他方の端部である第２端部は、貯水タンク４０に接続されている。
高湿気体移送用配管７６の長さ及び太さは、目的とする水の製造量を勘案して適宜決めればよい。例えば、高湿気体移送用配管７６の長さは、０．５ｍ以上１００ｍ以下の範囲、太さは１ｃｍ以上２５ｃｍ以下の範囲とされる。高湿気体移送用配管７６が長い程、高湿気体の自然冷却時間が長くなるため、水の製造量を多くしやすい。高湿気体移送用配管７６が細い程、高湿気体の冷却面積が大きくなるから、水の製造量を多くしやすい。
高湿気体移送用配管７６は直線状の配管でなくてもよく、例えば、複数折り返した配管、螺旋状の配管等であってもよい。
【００２３】
凝縮器接続用配管７７は、貯水タンク４０から排出された高湿気体を凝縮器５０に送るための配管である。具体的に、凝縮器接続用配管７７の一方の端部である第１端部は、貯水タンク４０の上部に接続され、凝縮器接続用配管７７の他方の端部である第２端部は、凝縮器５０の下部に接続されている。
【００２４】
（水製造方法）
前記実施形態の水製造装置１を用いた水製造方法について説明する。
本実施形態の水製造方法は、下記の第１工程、第２工程及び第３工程を有する。
【００２５】
第１工程は、吸湿剤２１に大気を接触させて、大気中に含まれる水（水蒸気）を吸湿剤２１に吸着させて捕捉させる工程である。
具体的に、本実施形態における第１工程では、第１開閉弁７１ａを開くと共に第２開閉弁７２ａを閉じた状態で、大気供給用ファン１０を稼働させて、大気を、大気用配管７１に通して吸湿器２０の容器２２の下部に供給する。大気の相対湿度は、例えば１５％以上１００％以下である。大気の供給量は、例えば、５０ｍ３／ｈ以上５００００ｍ３／ｈ以下の範囲とする。
容器２２内に導入された大気は、吸湿剤２１と接触する。これにより、大気中の水を吸湿剤２１に吸着させて捕捉させる。なお、第１工程においては、大気中に含まれる、水以外の各気体成分を、吸湿剤２１に吸着させないことが好ましい。
【００２６】
吸湿器２０が固定床式の場合には、吸湿剤２１が固定されているため、容器２２の下部から大気が導入されても吸湿剤２１は容器２２内部にて流動しない。吸湿器２０が流動床式の場合には、容器２２の下部から大気が導入された際に吸湿剤２１が大気と同伴して容器２２の内部にて上方に舞い上がり、浮遊して流動し、いずれ降下して循環する。そのため、流動床式の場合は、固定床式に比べてＳＶ値（空間速度）が低いので、床面積を小さくすることできる。また、流動床式の場合は、大気が吸湿剤２１により接触しやすくなるため、吸湿剤２１における水の吸着量がより多くなる。
容器２２の内部にて吸湿剤２１を流動させる場合には、容器２２の内部のゲージ圧が３００Ｐａ以上になるように大気を容器２２に供給することが好ましい。容器２２の内部のゲージ圧が３００Ｐａ以上になるように大気を供給すれば、容器２２の内部にて吸湿剤２１を容易に浮遊させることができる。
吸湿剤２１における水の吸着量は、吸湿剤２１への大気の供給量、大気の湿度、大気の温度、吸湿剤２１の温度、第１工程の実施時間等によって変動する。具体的には、吸湿剤２１への大気の供給量が多い程、大気の湿度が高い程、大気の温度が低い程、吸湿剤２１の温度が低い程、第１工程の実施時間が長い程、吸湿剤２１における水の吸着量が多くなる。例えば、吸湿剤２１としてカチオン型イオン交換樹脂を用いた場合には、水の吸着量は、イオン交換樹脂１ｇ当たり０．２ｇ以上０．６ｇ以下の範囲となることがある。
【００２７】
第１工程の最中においては、第３開閉弁７４ａを開くと共に第４開閉弁７５ａを閉じて、吸湿器２０にて吸湿剤２１に水が捕捉されて残った空気を、容器２２の上部から排出し、排出用配管７３及び大気放出用配管７４に通して大気中に放出する。吸湿剤２１に水が捕捉されて残った空気は、単に水が減少した低湿空気である。低湿空気の相対湿度は、大気の相対湿度より低く、例えば１０％以上９０％以下である。
【００２８】
第２工程は、吸湿剤２１を減圧して、吸湿剤２１に吸着させた水を蒸発させて、水（水蒸気）を含む高湿気体を発生させる工程である。
具体的に、本実施形態における第２工程では、第３開閉弁７４ａを閉じると共に第４開閉弁７５ａを開き、真空ポンプ３０を稼働させ、吸湿器２０の容器の内部を減圧して真空状態にする。これにより、水を吸着した吸湿剤２１の周囲を減圧する。吸湿剤２１の周囲を減圧することによって、吸湿剤２１に吸着した水を蒸発させる。そして、吸湿剤２１から蒸発させた水を含む気体を、容器２２の上部から排出し、排出用配管７３及び真空ポンプ接続用配管７５に通して真空ポンプ３０に送る。真空ポンプ３０に送られた気体は、水の含有量が多い高湿気体である。高湿気体の絶対湿度は、大気の絶対湿度より高い。
【００２９】
また、第２工程では、第１開閉弁７１ａを閉じると共に第２開閉弁７２ａを開いた状態で、真空ポンプ３０を用いて吸気することにより吸湿器２０に加熱気体を供給する。具体的には、吸気された大気をヒータ６２によって加熱することにより、加熱気体を吸湿器２０に供給する。加熱気体の温度は、３５℃以上且つ大気の温度より高くすることが好ましい。
第２工程の最中に真空ポンプ３０を用いて加熱気体を吸湿器２０に供給すれば、吸湿剤２１から加熱気体に水を容易に移すことができ、水を蒸発させやすくなる。
また、第２工程の最中に加熱気体を吸湿器２０に供給すれば、吸湿剤２１の温度低下を抑制できる。具体的に説明すると、吸湿剤２１から水を蒸発させると、蒸発潜熱分の熱が奪われて吸湿剤２１の温度が低下する。例えば、吸湿剤２１の温度は、大気の温度より低く、０℃以下となる。その結果、吸湿剤２１に吸着している水が凍結することがある。しかし、加熱気体を吸湿器２０に供給して吸湿剤２１を加熱すれば、吸湿剤２１から水を蒸発させても、吸湿剤２１の温度低下を抑制できる。
また、吸湿器２０の容器２２を減圧する場合には、容器２２を高真空に耐えうる容器としなければならないが、減圧時においても気体を吸湿器２０に供給することによって、耐真空性が低い容器を用いることができ、水製造のコストを抑制できる。
但し、加熱空気の供給量が多いと、真空ポンプ３０を稼働させても容器２２内を真空状態にすることが困難になるため、加熱空気の供給量は、真空ポンプ３０能力で容器２２内を減圧状態にできる程度の少量の供給量とする。
【００３０】
第３工程は、第２工程にて生じた高湿気体に含まれる水を液化する工程である。第３工程は、水の生産性向上の点から、第２工程と同時並行で行ってもよい。
具体的に、本実施形態における第３工程では、真空ポンプ３０から排出された高湿気体を高湿気体移送用配管７６に通す。真空ポンプ３０から排出された高湿気体は圧縮されて、圧力がほぼ大気圧となり、また、水蒸気に由来する顕熱によって温度が上昇する。例えば、高湿気体の温度は、大気の温度より高く、相対湿度は１００％以下となる。
飽和水蒸気量は圧力が上昇すると、減少する。したがって、真空ポンプ３０を通過して圧力が上昇した高湿気体は飽和水蒸気量が低下するため、高湿気体移送用配管７６の内部にて、高湿気体に含まれる水の一部が凝縮して液化する。これにより、液状の水が得られる。
また、飽和水蒸気量は温度が低下すると、減少する。したがって、高湿気体移送用配管７６を冷却することによって、高湿気体移送用配管７６の内部にて、高湿気体に含まれる水の一部がさらに凝縮して液化する。本実施形態では、高湿気体移送用配管７６の周囲が大気雰囲気であり、また、熱源に接しておらず、高湿気体より温度が低い。そのため、高湿気体移送用配管７６は自然冷却されて、高湿気体移送用配管７６の内部の高湿気体が冷却される。これにより、高湿気体に含まれる水の一部がさらに凝縮して液化し、液状の水がさらに得られる。
高湿気体の水が液化して製造された液状の水は、高湿気体と共に高湿気体移送用配管７６の内部を通って貯水タンク４０に送られ、貯水タンク４０にて貯留される。貯水タンク４０に水を貯留する際には、第５開閉弁４１ａを閉じておく。
【００３１】
上記のような水の製造に加えて、本実施形態における第３工程では、高湿気体移送用配管７６を通過した高湿気体を冷却し、高湿気体に含まれる残留水を凝縮して、さらに水を得る。
本実施形態においては、高湿気体移送用配管７６を通って貯水タンク４０に達した高湿気体を、貯水タンク４０に取り付けた凝縮器５０に導入して冷却する。これにより、高湿気体中の残留水を凝縮し、液化して、液状の水をさらに得る。
具体的には、高湿気体移送用配管７６から貯水タンク４０に導入された高湿気体は、貯水タンク４０の上部の空間及び凝縮器接続用配管７７を通って凝縮器５０の凝縮用配管５１内に導入される。凝縮器５０の冷却部５２においては、冷媒導入用配管５２ａから冷媒を導入し、冷媒導出用配管５２ｂから冷媒を排出することで冷媒を循環させている。これにより、冷却部５２に囲まれた凝縮用配管５１を冷却できる。冷却部５２によって凝縮用配管５１を冷却すると、その内部の高湿気体も冷却でき、残存していた高湿気体中の水を凝縮させて液化できる。液化した水は、重力によって凝縮用配管５１を伝って貯水タンク４０に落下する。高湿気体は凝縮器５０にて前記のように脱水されて脱水気体となる。
前記脱水気体は、凝縮用配管５１の内部を上昇し、凝縮器５０の上部から大気中に放出される。脱水気体の相対湿度は、例えば１２℃、１００％以下とされる。
貯水タンク４０に貯留された水は、第５開閉弁４１ａを開いた状態で、水供給用配管４１を介して、上水道、水を使用する装置等に送られる。
【００３２】
高湿気体から、ある程度の量の水が得られたら、つまり吸湿剤２１から水が充分に蒸発して乾いたら、真空ポンプ３０を停止し、第１開閉弁７１ａ及び第３開閉弁７４ａを開け、第２開閉弁７２ａ及び第４開閉弁７５ａを閉じ、大気供給用ファン１０を稼働させる。これにより、再び第１工程を開始する。
第１工程、第２工程及び第３工程を有する水製造方法を繰り返すことによって、水の製造量を増やすことができる。
【００３３】
（作用効果）
本実施形態の水製造装置１及び水製造方法では、大気中の水を吸湿剤２１に吸着させ、その水を回収して水を製造する。この水製造装置１及び水製造方法では、例えば大気を冷却する冷却装置を必要とせず、エネルギー消費量が少ない簡便な装置構成で液状の水を製造できる。したがって、本実施形態の水製造装置１及び水製造方法では、液状の水を製造する際の消費エネルギー量を抑制できる。
また、本実施形態の水製造装置１及び水製造方法では、吸湿剤２１によって大気中の水を吸着させた後、その水を蒸発させることによって、水を濃縮した高湿気体を発生させ、その高湿気体に含まれる水を液化して水を得る。このような水の製造方法によれば、液状の水の製造量を容易に多くできる。  
よって、本実施形態の水製造装置１及び水製造方法によれば、エネルギー使用量を抑制しながらも充分に液状の水を製造できる。
また、本実施形態の水製造装置１及び水製造方法では、大気中の、水以外の各気体成分が吸湿剤２１に吸着しにくいため、水を精製でき、不純物が少ない液状の水を得ることができる。本実施形態の水製造装置１及び水製造方法により得られた水は、蒸留水とほぼ同等の純度であり、飲料水として利用できるだけでなく、高純度の水を使用する装置等にも利用できる。
【００３４】
＜第二実施形態＞
（水製造装置）
本発明の水製造装置の第二実施形態について説明する。
図２に、本実施形態の水製造装置を示す。本実施形態の水製造装置２は、高湿気体移送用配管７６が吸湿器２０の内部に通されている以外は第一実施形態の水製造装置１と同様である。
すなわち、本実施形態の水製造装置２においても、大気供給用ファン１０と吸湿器２０と真空ポンプ３０と貯水タンク４０と凝縮器５０と加熱気体供給用ヒータ６０を備える。また、本実施形態の水製造装置２においても、大気用配管７１と、加熱気体用配管７２と、排出用配管７３と、大気放出用配管７４と、真空ポンプ接続用配管７５と、高湿気体移送用配管７６と、凝縮器接続用配管７７とを備える。
また、本実施形態において使用する吸湿剤２１は、第一実施形態と同様である。
【００３５】
上述したように、本実施形態では、高湿気体移送用配管７６が吸湿器２０の内部に通されている。具体的には、吸湿器２０の容器２２の内部に高湿気体移送用配管７６が挿入され、容器２２の内部にて高湿気体移送用配管７６が複数折り返されて配置されている。複数折り返された高湿気体移送用配管７６の下流側は容器２２の外部に出され、貯水タンク４０に接続されている。容器２２の内部の高湿気体移送用配管７６の周囲には吸湿剤２１が存在している。
第一実施形態において説明したように、真空ポンプ３０から排出された高湿気体は圧縮されて温度が上昇し、例えば大気温度以上相対湿度１００％以下となる。したがって、高湿気体移送用配管７６を通る高湿気体は高温となっている。一方、真空ポンプ３０によって水を蒸発させた吸湿剤２１は熱が奪われて温度が低下し、例えば０℃以上３５℃以下となる。
本実施形態は、高温の高湿気体と低温の吸湿剤２１とを利用するものである。すなわち、本実施形態では、高湿気体移送用配管７６内の高湿気体と吸湿器２０内の吸湿剤２１との間で熱交換することによって、高湿気体を冷却して高湿気体に含まれる水の少なくとも一部を凝縮して液化すると共に、吸湿剤２１を加熱して吸湿剤２１の温度低下を抑制する。前記熱交換は、高湿気体移送用配管７６の管壁を介して行われる。
高湿気体移送用配管７６は、図示例のように、容器２２の内部空間に設置されてもよいし、容器２２の内部空間を形成する容器２２の壁部に埋め込まれて設置されてもよい。
【００３６】
（作用効果）
本実施形態では、吸湿器２０の内部に挿入される前の高湿気体移送用配管７６と凝縮器５０とにおいて水を液化することに加え、吸湿器２０の内部にて高湿気体移送用配管７６を冷却して、高湿気体に含まれる水を凝縮させて液化する。そのため、本実施形態によれば、大気から、より多くの水を製造できる。
また、高温の高湿気体と低温の吸湿剤２１を利用するから、熱効率に優れ、例えば、加熱気体の温度を下げることができ、水を製造する際のエネルギー消費量をより少なくできる。
したがって、本実施形態の水製造装置２及び水製造方法によれば、エネルギー使用量をより抑制しながら、より多くの水を製造できる。
【００３７】
＜その他の実施形態＞
なお、本発明は、上記実施形態に限定されない。
第一実施形態の水製造装置においては、加熱気体供給用ヒータを備えていなくてもよい。その場合、水製造装置が、吸湿器を加熱するヒータを備えて、吸湿剤からの水の蒸発によって生じる温度低下を抑制してもよい。
第一実施形態の水製造装置においては、高湿気体移送用配管の周囲に、高湿気体移送用配管を冷却する冷却器を設けて、高湿気体に含まれる水を凝縮させてもよい。
第二実施形態の水製造装置においては、吸湿器の容器の内部に挿入された高湿気体移送用配管が、吸湿器の容器を貫通しているだけの１本の配管であってもよい。しかし、高湿気体と吸湿剤との間の熱交換効率が高くなるため、吸湿器の容器の内部に挿入された高湿気体移送用配管は、複数折り返された配管とすることが好ましい。
第二実施形態の水製造装置においては、吸湿器の容器の内部に挿入された高湿気体移送用配管は分枝してもよいし、放熱フィンを備えていてもよい。
高湿気体移送用配管の断面は、通常、円形であるが、円形でなくてもよく、例えば、四角形等であってもよい。
【００３８】
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、貯水タンクに接続された凝縮器を備えていなくてもよい。しかし、大気中からの水の製造量を増やす点からは、水製造装置は、前記凝縮器を備えていることが好ましい。
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、貯水タンクを備えず、高湿気体移送用配管が水供給用配管に直接接続されてもよい。しかし、得られた水を一時的に貯留する貯水タンクを備えていれば、水の製造量の変動、水の使用量の変動に対して容易に対応できる。したがって、水製造装置は、貯水タンクを備えていることが好ましい。
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、加熱気体供給用ヒータ及び加熱気体用配管を備えなくてもよい。しかし、減圧時に温度が低下する吸湿剤を加熱でき、吸湿器の容器として耐真空性が低い容器を使用できるようになることから、水製造装置は、加熱気体供給用ヒータ及び加熱気体用配管を備えることが好ましい。
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、大気放出用配管を備えなくてもよい。但し、水製造装置が大気放出用配管を備えない場合には、真空ポンプを通らずに、真空ポンプ供給用配管と高湿気体移送用配管とを接続するバイパス配管を設置する。第１工程においては、吸湿剤に水が捕捉されて残った低湿空気をバイパス配管に通し、最終的に大気に放出する。第２工程においては、バイパス配管を閉じて、吸湿剤の周囲を減圧して発生させた高湿気体を真空ポンプに通す。
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、エネルギー消費量の増大が問題ならない程度で、コンプレッサを用いた冷却装置を使用して高湿気体中の水を凝縮させて液化させても構わない。
【００３９】
第一実施形態及び第二実施形態の水製造装置においては、図３に示すように、加熱気体用配管７２と真空ポンプ接続用配管７５とを入れ替えてもよい。すなわち、加熱気体用配管７２が排出用配管７３に接続され、真空ポンプ接続用配管７５が大気用配管７１に接続されてもよい。なお、図３は、第二実施形態の水製造装置２において、真空ポンプ接続用配管７５を大気用配管７１に接続し、加熱気体用配管７２を排出用配管７３に接続した変形例である。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例を示して本発明をより詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
本実施例においては、大気供給用ファンと吸湿器と真空ポンプと凝縮器とを備える、図１に類似した水製造装置を用いた。また、本実施例において使用した水製造装置は、大気用配管と、真空ポンプ接続用配管と、高湿気体移送用配管とを備える。
大気供給用ファンは、大気を、大気用配管を介して吸湿器に移送するためのファンである。大気の温度は２０℃とし、相対湿度は６２％とした。大気供給用ファンの能力は、標準状態（ＮＰＴ）において５Ｌ／ｍｉｎであり、２０℃に換算すると、５．３６６Ｌ／ｍｉｎとなる。また、１００ｔｏｒｒの供給とすると、流量は０．７０６Ｌ／ｍｉｎ（｛５．３６６Ｌ／ｍｉｎ／７６０ｔｏｒｒ｝×１００ｔｏｒｒ）となる。この値に気体密度１．１９８２７０４１３ｋｇ／ｍ３を乗じると、大気供給量は０．０００８４６ｋｇ／ｍｉｎとなる。
吸湿器に充填される吸湿剤としては、カチオン型イオン交換樹脂（レバチット社製Ｓ１５６７）２０００ｇを用いた。吸湿剤から水を蒸発させる第２工程に際してはヒータによって吸湿剤を加熱して、吸湿剤の温度を３０℃とした。
真空ポンプは、吸湿器の容器の絶対圧力を１３ｋＰａ（ゲージ圧では−８８ｋＰａ）にできるポンプを使用した。
凝縮器としては、高湿気体移送用配管を冷却水によって冷却して高湿気体移送用配管内の高湿気体を凝縮させる凝縮用トラップを用いた。
【００４１】
前記水製造装置を用い、下記の製造方法により大気より水を製造した。
大気供給用ファンを稼働させて、大気（温度２７℃、相対湿度７０％）を、大気用配管に通して吸湿器の容器に供給し、吸湿剤に大気中の水を吸着させた。その吸着時間は約１時間とした。次いで、大気供給用ファンを停止し、真空ポンプを稼働させて、吸湿器の容器の絶対圧力を１３ｋＰａとし、吸湿剤に吸着した水を蒸発させた。これにより得られた高湿気体を、真空ポンプ接続用配管に通し、真空ポンプで吸引し、高湿気体移送用配管に吐出した。次いで、高湿気体移送用配管内の高湿気体を凝縮器によって冷却し、水を液化して、液状の水を回収した。液状の水を回収する時間は約１時間とした。
これら一連の操作を繰り返して、水を製造した。
【００４２】
また、上記の製造方法と同様の製造方法において、表１に示す条件でシミュレートして、大気からの水製造量の理論値を求めた。
【００４３】
【表１】
2019136657.tif 000003
【００４４】
前記水製造装置を用いて実際に大気から水を製造した結果、１４９ｍｇ／ｍｉｎで水を製造できた。一方、シミュレートによる水製造量の理論値は、（１６６．７ｍｇ／ｍｉｎ）−（１４．１ｍｇ／ｍｉｎ）より１５３ｍｇ／ｍｉｎと求められた。（１４９ｍｇ／ｍｉｎ）／（１５３ｍｇ／ｍｉｎ）＝０．９７４であるから、実際の水製造量は理論値にかなり近い値であった。これより、本実施例の水製造装置及び水製造方法では、充分な量の水を製造できることが確認できた。
また、本実施例の水製造装置及び水製造方法では、エネルギーを消費する機器が、大気供給用ファン、吸湿剤を加熱するヒータ、真空ポンプのみであるから、エネルギー消費量が少ないといえる。
よって、本実施例の水製造方法及び水製造装置によれば、エネルギー消費量を抑制しながらも充分に液状の水を製造できる。
【００４５】
（実施例２）
カチオン型イオン交換樹脂を多孔性樹脂（レバチット社製ＭＰ６４）に変更した以外は実施例１と同様にして、液状の水を製造した。本例において使用した多孔性樹脂は、イオン交換樹脂の担体であり、イオン交換官能基を有さない。
本例における実際の水の製造量は、１４５ｍｇ／ｍｉｎであった。
【００４６】
（実施例３）
カチオン型イオン交換樹脂をシリカゲル（山仁薬品社製Ｓ型）に変更した以外は実施例１と同様にして、液状の水を製造した。
本例における実際の水の製造量は、１４３ｍｇ／ｍｉｎであった。
【００４７】
［結果］
上記のように、水の製造量は、実施例１の水の製造量＞実施例２の水の製造量＞実施例３の水の製造量であった。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の水の製造方法及び水製造装置は、水資源が不足しがちな地域、例えば、離島、取水できる河川が乏しく且つ地下水が不足している地域等での利用に適している。また、本発明の水の製造方法及び水製造装置は、高湿環境の地域、例えば、東南アジア、南アジア、中南米、ポリネシア、ミクロネシア、メラニシア等にとりわけ適している。
【符号の説明】
【００４９】
１，２  水製造装置
１０  大気供給用ファン
２０  吸湿器
２１  吸湿剤
２２  容器
３０  真空ポンプ
４０  貯水タンク
５０  凝縮器
５１  凝縮用配管
５２  冷却部
５２ａ  冷媒導入用配管
５２ｂ  冷媒導出用配管
６０  加熱気体供給用ヒータ
６１  送気ファン
６２  ヒータ
７１  大気用配管
７１ａ  第１開閉弁
７２  加熱気体用配管
７２ａ  第２開閉弁
７３  排出用配管
７４  大気放出用配管
７４ａ  第３開閉弁
７５  真空ポンプ接続用配管
７５ａ  第４開閉弁
７６  高湿気体移送用配管
７７  凝縮器接続用配管
【図１】
2019136657.tif 000004
【図２】
2019136657.tif 000005
【図３】
2019136657.tif 000006