(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸留装置であって、該蒸留装置は：
加熱チャンバ、凝縮チャンバ、該加熱チャンバおよび凝縮チャンバの上にあり、そして該加熱チャンバおよび凝縮チャンバに共通の蒸気空間、ならびに該凝縮チャンバへの供給液体入口を規定する囲いであって、ここで、該供給液体入口から液体は該凝縮チャンバ内に入り、そして該凝縮チャンバ内において一定レベルに維持される、囲い；
水平管凝縮器であって、該凝縮器は、該凝縮チャンバ内で該供給液体に浸されており、その上部端に蒸気入口を有し、そしてその下部端に蒸留物出口を有し、ここで、凝縮器内の蒸気の凝縮が該供給液体を事前に加熱する、凝縮器；
該凝縮チャンバ内の供給液体を通って上方向に気体泡を向けるように配置されたガススパージャーであって、該泡は、該凝縮管の熱伝導表面をこすり洗って該液体と該凝縮器との間の熱伝導を改善し、そして該供給液体からの蒸気を吸収する、ガススパージャー；
を備え、そして、
供給液体は、該凝縮チャンバを通って該加熱チャンバに入り、そして、該加熱チャンバにおいて形成される蒸気は、該蒸気空間において該気体泡からの蒸気と合わされ、そして該合わされた蒸気は、該水平管凝縮器を通って流れて、蒸留物を生成するように凝縮する、
蒸留装置。
【請求項２】
前記囲いが円筒であり、そして垂直軸を有し、前記加熱チャンバは、該囲いの該垂直軸と同軸に整列する管状壁を備え、前記凝縮チャンバは、該加熱チャンバの該管状壁の周りに環状になって配置される、請求項１に記載の蒸留装置。
【請求項３】
前記水平管凝縮器は、前記環状凝縮チャンバに整列する輪状管を備え、該水平管凝縮器は、該環状凝縮チャンバに整列する複数の輪状管を備える、請求項２に記載の蒸留装置。
【請求項４】
前記加熱チャンバおよび前記凝縮チャンバは、ともに前記蒸気空間中に対してそれらの上部端で開いており、該加熱チャンバは、該凝縮チャンバに対して開いて、該凝縮チャンバから該加熱チャンバへの事前に加熱された液体の流れを可能にする、請求項１に記載の蒸留装置。
【請求項５】
前記加熱チャンバおよび前記凝縮チャンバは、それらの下部端で開いている、請求項４に記載の蒸留装置。
【請求項６】
前記ガススパージャーは、前記凝縮チャンバの下方空間に配置される穿孔輪状管を備える、請求項２に記載の蒸留装置。
【請求項７】
供給液体を蒸留するための方法であって、該方法は：
供給液体を、凝縮チャンバを通って加熱チャンバに供給する工程；
該加熱チャンバにおいて該供給液体を沸騰させて、第１蒸気相を形成する工程；
該凝縮チャンバ内の該供給液体を通して上方向に気体をスパージさせて、該気体の泡の中に第２蒸気相を生成する工程であって、ここで、該第１蒸気相および該第２蒸気相は、該第１蒸気相と該第２蒸気相とを合わせた蒸気相を生成するように、該加熱チャンバおよび該凝縮チャンバの上の空間で合わさる、工程；
該第１蒸気相と第２蒸気相とを合わせた蒸気相を、該凝縮チャンバ内の該供給液体に浸された水平管凝縮器に通して流す工程であって、ここで、該第１蒸気相と第２蒸気相を合わせた蒸気相は凝縮し、該気体の泡は、該凝縮器の熱伝導表面をこすり洗って、該凝縮器における該供給液体と該凝縮蒸気との間の熱伝導を促進する、工程；および
該凝縮器の底部から蒸留物を収集する工程
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（発明の背景）
米国特許第４，９７６，８２４号；同第５，０３０，３２７号；および同第５，３３２，４７６号に、流体蒸留システムのいくつかの実施形態が開示されている。ほとんどの部分について、これらの実施形態は、有効な操作および合理的な蒸留水収率を提供する。しかし、このようなシステムの改善された設計を用いて、上記操作および収率は、増大され得、そして本発明は、このようなシステムからの蒸留水の収率の上昇を提供しながら、上記システムを構造上比較的単純に保つための装置および方法に関する。
【０００２】
米国特許第５，４９０，９０６号は、流体蒸留システムのいくつかの実施形態を記載し、各実施形態は、水もしくは流体を蒸留するための一次容器または一次チャンバおよび二次水容器または二次水チャンバを使用する。上記２つのチャンバは、互いに隣接し、そして上記二次チャンバは、上記一次チャンバと協同して、上記システムにおいて生成した水蒸気を収集のためのレザバに運ぶように導く。
【０００３】
このような流体蒸留装置の例は、Ｎａｉｓａｎ  Ｌｅｅ（本明細書中の発明者）の指導の下で構築され、そしてＢ．Ｊ．Ｈｕａｎｇにより著された更新された原稿に記載されており、本明細書中に記載および請求されている発明以前から、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔａｉｗａｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｐｅｉ，Ｔａｉｗａｎから入手可能である。上記蒸留装置は、別個の加熱チャンバおよび凝縮チャンバを備え、蒸気は、複数の直立チャンバにおいて凝縮される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、水および他の液体のために有用なさらに改善された蒸留装置ならびに蒸留方法が提供されることが、所望されたままである。このような装置は、好ましくは、小型で、高効率蒸留（すなわち、単位量の生成蒸留水あたり最低エネルギー入力）を提供し、そして小さい単位から大きい単位に拡大可能であるべきである。これらの目的の少なくともいくつかは、本明細書中の以下に記載される発明によって満たされる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、改善された流体蒸留装置および流体蒸留方法を提供する。上記装置は、種々の形態を取り得るが、好ましくは、以下でより詳細に記載されるような、比較的低い費用で容易に製造される高度小型形態を有する。本発明の装置は、水および他の液体の蒸留の、高効率基準（代表的には、蒸留水１ｌあたり３８０ｋｃａｌ以下のエネルギー消費、好ましくは、蒸留水１ｌあたり３２０ｋｃａｌ以下の蒸留水）での実施を許容する。
【０００６】
第１の局面において、本発明に従う蒸留装置は、加熱チャンバおよび凝縮チャンバを規定する囲いを備える。上記囲いは、通常、単一のシェルまたは上記別個のチャンバを規定するための内部構造を有するハウジングであるが、より所望されないが、パイプ、ダクトなどによって一緒に連結される別個のハウジングまたは構造から形成され得る。上記囲いは、上記加熱チャンバおよび凝縮チャンバの上にあり、そして上記加熱チャンバおよび凝縮チャンバに共通の蒸留空間を規定し、そして上記凝縮チャンバ中への供給液体入口を有する。
【０００７】
水平管凝縮器（例えば、螺旋状管凝縮器または渦巻状管凝縮器）は、上記凝縮チャンバに配置され、そしてその上部端に蒸気入口を有し、そしてその下部端に清潔な遠位出口を有する。効率を上昇させるために、ガススパージャー（例えば、エアレーター）は、上記凝縮チャンバ内に配置されて、空気または他の気体の泡を上記凝縮チャンバを通って上方に向ける。このような泡は、２つの異なる利益を提供する。第１に、上記泡は、上記凝縮器の熱伝導表面を洗浄して、熱伝導を促進する。第２に、上記泡は、加熱されている上記供給液体から直接蒸気を吸収し、そのとき、上記蒸気は、上記凝縮器内で凝縮される。上記泡中の蒸気は、上記蒸気空間中へと上方向に運ばれ、上記加熱チャンバからのスチーム蒸気と合わせられ、この加熱チャンバは、そこにある水または他の液体を沸騰するための電気的構成要素または他の加熱構成要素を備える。
【０００８】
上記蒸気空間において収集される合わされた蒸気は、上記水平管凝縮器を通って下方向に通過し、上記蒸気は、上記凝縮チャンバ中に入る比較的冷たい供給液体（代表的には、冷水）との熱交換によって凝縮される。凝縮後、上記純粋な蒸留物は、上記凝縮器の下方端で出口から収集され得る。
【０００９】
本発明の装置および方法によって達成される高効率は、少なくとも部分的には、上記ガススパージャーから上方向に流れる気体泡と上記水平管凝縮器の水平に整列した熱交換表面との間の相互作用に由来すると考えられる。上記水平管凝縮器の好ましい渦巻状配置および他の密に束ねられた配置において、上記泡は、複数の蛇行性経路を通って上方向に通過し、上記方向性のある流れは、常に変化し、そして上記泡と上記管凝縮器の曝された表面との間の密な接触が維持される。上記水平管を密に束ねる能力はまた、高度小型蒸留単位を構築することから、有利である。
【００１０】
上記装置の好ましい局面において、上記囲いは、垂直軸を有する円筒である。上記加熱チャンバは、上記円筒囲いの垂直軸と同軸に整列する管壁を備え得、上記凝縮チャンバは、上記加熱チャンバの上記管壁の周りに環状になって配置される。従って、上記水平管凝縮器は、好ましくは、上記環状凝縮チャンバに整列された輪状管を備え、より好ましくは、上記凝縮チャンバ内に渦巻状に整列した複数の輪状管を備え、そしてその上部端から下部端に通過する。上記複数の凝縮管は、上記純粋な蒸留物を収集するためのマニホルドまたは他の収集チャンバの下部で連結され得る。
【００１１】
上記好ましい構成において、上記加熱チャンバおよび上記凝縮チャンバは、ともに上記共通の蒸気空間中にそれらの上部端で開いており、そして上記加熱チャンバは、上記凝縮チャンバにその下部端で開いており、該凝縮チャンバから該加熱チャンバへの事前に加熱された液体の流れを可能にする。最も単純には、上記凝縮チャンバの上記下部端は、開いたプレナムを形成し、そして少なくとも１つの開口部または通路が、上記加熱チャンバの上記管状壁に提供されて、液体の流れを許容する。通常、上記下部端で単一の通路または開口部のみが提供されて、上記凝縮チャンバと上記加熱チャンバとの間の液体の流れを許容する。このようにして、上記入口の液体の流れは、上記加熱チャンバに入る前に、まず、上記凝縮チャンバを通って通過しなければならない。上記スパージさせられる空気または気体は、任意の従来の様式で提供され得る。代表的に、穿孔された管（通常、穿孔された輪状管）は、上記凝縮チャンバの下部空間またはプレナムに配置されて、それらから上方向に上記スパージする泡を通す。
【００１２】
第２の局面において、本発明の方法は、凝縮チャンバを通って加熱チャンバに供給液体を供給する工程を包含する。上記供給液体は、上記加熱チャンバにおいて沸騰されて、第１の蒸気相を形成する。空気または他の気体が、凝縮チャンバを通って上方向にスパージして、上記気体泡によって上方向に運ばれる第２の蒸気相を提供する。上記第１の蒸気相および第２の蒸気相は、合わされ、そして凝縮チャンバの水平管凝縮器において凝縮される。上記気体泡は、上記入口供給液体と上記凝縮蒸気との間の熱伝導を促進して、凝縮および上記供給液体の事前加熱の両方を促進する。次いで、純粋な蒸留物は、上記凝縮器の下部から収集され得る。
【００１３】
第３の局面において、本発明は、水を蒸留するための改善された方法を提供する。上記方法は、水を沸騰してスチームを形成し、そして上記スチームは、供給水との熱交換によって、凝縮器において凝縮されるタイプである。本発明の改善は、上記凝縮器において空気をスパージさせて、熱伝導を促進し、そして上記スチームによって凝縮されるさらなる水蒸気を生成する工程を包含する。上記改善は、必要に応じて、水平管熱交換器において上記蒸気を凝縮する工程をさらに包含する。上記改善された方法は、非常に高い蒸留効率で水を生成する。
【００１４】
本発明の方法および装置によって生成される水の１リットルあたりのエネルギー消費は、代表的には、３８０ｋｃａｌ／ｌ未満、好ましくは３２０ｋｃａｌ／ｌ未満である。このような改善された方法は、通常、水平管凝縮器を利用して、上記で議論された利益を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（発明の詳細な説明）
図１に関して、本発明に従う装置１０は、そこに少なくとも凝縮チャンバ１４および加熱チャンバ１６を有する囲い１２を備える。供給液体入口１８が、上記凝縮チャンバ１４に提供され、そして電気抵抗加熱構成要素２０または他の加熱構成要素が、上記加熱チャンバ１６内に提供される。上記凝縮チャンバ１４および加熱チャンバ１６は、内部仕切り２４によって分割されるが、以下により詳細に記載されるように、一般的に、それらの上部端および下部端で結合されるかまたは開いて、液体および蒸気の内部の流れまたは移動を許容する。特に、上記囲い１２の上記上部端に規定される蒸気空間２６および開口部または通路２８は、上記囲いの下部領域に提供される。
【００１６】
水平管凝縮器３０は、上記凝縮チャンバ１４に配置され、そしてその上部端３２から入る蒸気を凝縮し、そして入口１８を通って入る供給液体入口を事前に加熱するように働く複数のほぼ水平な熱交換管を備える。上記水平管凝縮器３０は、種々の形態を取り得、そして一般的に、多くの逆行する流れ部分を有する蛇行性構造として、概略を示される。しかし、より一般的には、上記凝縮器は、以下の図２に関してより詳細に記載されるように、螺旋状の輪または渦巻きとして整列される。
【００１７】
本発明の重要な特徴は、上記凝縮チャンバ１４の下部またはその近くに、空気スパージャーまたはガススパージャー３８を含むことである。スパージさせられる気体は、上記スパージャー３８を通って導入され、そして泡が生じ、少なくとも上記チャンバ１４の下部では上記液体の流れに対して一般的に逆流する配向で、上記供給液体を通って上方向に通過する。上記供給液体は、蒸気水平管凝縮器３０を通る蒸気の流れによって加熱されるので、一般的に上記気体泡と一体化する供給液体において、蒸気が生成する。上記気体泡は、上部液体表面４０を通って上方向に通過するので、上記蒸気は、以下により詳細に議論されるように、上記加熱チャンバからの蒸気と一緒に上記蒸気空間２６中に放出される。上記泡はまた、上記で議論されているように、入って来る供給液体と上記水平管凝縮器３０を通って下方向に通過する蒸気との間の熱伝導を促進するように作用する。
【００１８】
上記供給液体は、上記凝縮チャンバ１４において事前に加熱された後、一般的に矢印４４によって示されるように、上記加熱チャンバへと流れる。上記加熱チャンバ１６に入る液体は、加熱構成要素２０によって加熱されて、沸騰および蒸気生成を引き起こす。上記加熱チャンバ１６において生じる蒸気はまた、上記蒸気空間２６中を通過し、ここで、上記蒸気空間２６は、上記凝縮チャンバのスパージした気体からの蒸気と合わせられる。従って、一般的に矢印４６によって示されるような上記加熱チャンバ１６からの蒸気、および一般的に矢印４８によって示されるような上記凝縮チャンバ１４からの蒸気は、上記水平管凝縮器３０の上記上部端３２中を通過し、ここで、次いで、上記合わせた蒸気は、上記管の下を通過し、そして上記供給液体による熱伝導によって凝縮される。上記凝縮蒸気は、次いで、上記凝縮器の出口５０から収集され得る「純粋な蒸留物」を提供する。例示的な質量およびエネルギーの均衡を以下に示す。
【００１９】
【表１】
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ここで、図２に関して、本発明の蒸留装置の現在の好ましい実施形態が記載される。円筒囲い１００は、レベル１１１で水または他の液体を含有するように適用される。蒸留される水または他の供給液体１１２は、入口１１３を通って上記囲い１００に導入され得る。上記囲いにおける上記液体レベル１１１は、従来の装置（例えば、レベルセンサおよび入口供給制御（示されない））によって維持され得る。排出管１１４は、上記囲い１００の下部で時間をかけて収集する半塩（ｂｒａｃｋｉｓｈ）凝縮器液体の定期的な除去のために提供される。
【００２０】
蒸気空間１１６は、一般的に、上記液体表面１１１の上に、囲い１００内部の上部端に形成される。複数の渦巻き状凝縮管１１７（５つが示される）は、上記囲い１００内部の外側周囲に環状になって配置される。上記凝縮管１１７は、代表的に環状断面を有するが、上記管が他の断面（例えば、楕円形、四角形、多角形など）を有し得ることが可能である。しかし、一般的に、上記輪状は、一般的に上記に記載されるようにスパージした気体泡との接触を促進するために、上記管がほぼ水平であるように整列されることが好ましい。上記渦巻き状管１１７は、もちろん、実際には水平ではなく、そして「水平」によって、上記管が、水平に対して４５°未満、通常は２５°未満、そしてより好ましくは１５°未満の角度を有することのみを意味する。例示的角度は、１．５°〜２．５°の範囲にある。
【００２１】
上記蒸気空間１１６からの蒸気は、矢印１２６および１３０により示されるように、上記凝縮管１１７へと入る。上記蒸気が、上記凝縮管１１７を通って下方向に通過する際、上記液体入口との熱交換により、所望される蒸留物を生成する蒸気を凝縮する。上記蒸留物は、好ましくは、レザバまたはマニホルド１１８を通って除去され、このレザバまたはマニホルド１１８は、上記凝縮管１１７の各々からの流出量を合わせ、そしてそこから上記蒸留物が出され得る共通の出口１１９を提供する。
【００２２】
上記熱交換管１１７にわたる気体のスパージは、好ましくは、泡１２４を生成する穴１２３を有する気体注入管１２２によって提供される。泡は、環状凝縮チャンバ１２０において、上記凝縮管１１７を通って上方向に通過する。便宜上、上記泡１２４を、上記凝縮空間の一部のみにおいて示す。実際の操作においては、上記泡は、環状凝縮チャンバ１２０全体を通って上方向に通過する。また、広範に種々の他のスパージャーが使用され得、これらのスパージャーとしては、穿孔マニホルド、多孔石（ｐｏｒｏｕｓ  ｓｔｏｎｅ）などが挙げられることが理解される。また、上記スパージャーは、空気（この場合、それはエアレーションと呼ばれ得る）または広範に種々の他の気体によって行われ得ることが理解される。
【００２３】
上記加熱チャンバ１２７は、加熱構成要素１２８の周囲の管壁１３１によって規定される。上記凝縮チャンバ１２０からの水は、その下部の開口部１３３を通って、上記加熱チャンバ１２７の内部へと通過する。上記加熱構成要素１２８は、液体蒸気泡１３２を生成し、この液体蒸気泡１３２は、上記加熱チャンバにおいて上部開口部１２９を通って上方向に通過し、上記蒸気空間１１６へと入る。次いで、上記蒸気は、矢印１３０により示され、そして既に記載したように、上記凝縮管の頂点へと通過する。
【００２４】
必要に応じて、ファン（示されない）または他の冷却装置が、上記囲い１００の下部に提供されて、上記凝縮物を冷却する。さらに必要に応じて、冷却フィン（示されない）または他の熱交換促進器が提供され得、さらにより効率的に上記凝縮物を冷却する。
【００２５】
代替的実施形態（示されない）において、凝縮ラインおよび／または気体スパージラインが、上記囲いの頭隙１３０を通って配管され得る。しかし、上記水および気体の循環の残りの状況は、一般的に、同じままである。上記凝縮ラインが上記頭隙を通ってそこから引き出される場合、任意のファンおよび／または任意の冷却フィンはまた、上記頭隙に提供され得る。
【００２６】
図２の蒸留装置の構成および操作は、比較的簡単であることが、理解される。特に、上記凝縮チャンバ１２０および加熱チャンバ１３１の両方において、上記液体レベルは同じであり、従って、単一の液体レベル制御システムのみが必要である。上記装置に入る熱は、主として上記加熱構成要素２８に送達されるエネルギー量によって提供される。水の上記気体泡へのエバポレーションは、入ってくる水を冷却し、そして冷却凝縮器は、より多くの蒸気を凝縮する。従って、より冷たい供給水が所望される。上記スパージ気体の湿度は、しばしば、制御困難であるが、好ましくは、比較的低いレベルに維持される。
【００２７】
上記は、本発明の好ましい実施形態の完全な説明であるが、種々の変更、改変および等価物が使用され得る。従って、上記説明は、添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲を限定するとして見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、本発明の原理に従って構成された蒸留装置の概略図であり、例示的な液体および気体の流れを示す。
【図２】図２は、発明の原理に従って構成された蒸留装置の具体的実施形態であり、内部構成要素を示すために一部が切断されている。
【図１】
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【図２】
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