(57)【要約】建築物または住居の内外の周囲空気から飲料水を入手するための、ペルチェ技術としても知られる熱電冷却を利用した水生成装置であって、該水生成装置は、この周囲空気の供給を装置にもたらし、処理済みの空気を装置外へ放出するための特有の連続ダクトを有している。該装置は、流入した空気を露点以下の温度に冷却して、存在する水蒸気を凝縮するコールドシンクを含む。次に、冷却された空気が、より温暖な周囲空気のみを使用してヒートシンクの冷却を行う装置よりも、装置の効率および冷却能力を高めるヒートシンクに再び導かれる。空気流の速度は、１以上のファンまたは送風機の可変速度によって制御される。ファンまたは送風機の速度が、温度および相対湿度、さらにコールドシンクの温度を測定することで、現在の周囲露点を求める装置によって順次制御される。流入する空気流は、ファンまたは送風機によって、処理されている流入空気の求められた露点温度を過度に越えることなく、最大流量まで増減される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲空気から水を抽出するための水生成装置であって、
低温側と高温側とを有する熱電冷却装置と、
冷却装置の低温側と熱結合され、接触する空気を冷却するコールドシンクと、
冷却装置の高温側と熱結合され、冷却装置から熱を除去するヒートシンクと、
周囲空気の流れをコールドシンクを通過させて、空気をその露点以下に冷却し該空気流から水を凝縮させる、１以上の空気移動手段と、
コールドシンクによって冷却された空気をヒートシンクを通過させて、冷却装置からさらに熱を除去して効率を高める、通路手段とを含むことを特徴とする水生成装置。
【請求項２】
周囲空気の露点を求めるための露点センサ手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項３】
空気移動手段の少なくとも１つが気流速度を可変にすることを特徴とする請求項２に記載の水生成装置。
【請求項４】
露点センサ手段に応答する制御手段をさらに含み、該制御手段は、周囲空気の露点に応じて、可変速度空気移動手段のうち少なくとも１つの速度を制御し、装置全体の水生成効率を高め、より広範囲の周囲状況に対して装置を動作させることを特徴とする請求項３に記載の水生成装置。
【請求項５】
通路手段は、コールドシンクとヒートシンクとの両方を収納するエアダクトを含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項６】
凝縮水をエアダクトから排出させるために、エアダクトに凝縮水流出口をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の水生成装置。
【請求項７】
エアダクトは最下部域に設けられ、凝縮水流出口が最下部域にあるダクトの底部に設けられることを特徴とする請求項６に記載の水生成装置。
【請求項８】
流出口を通ってダクトから流出する凝縮水に放射して殺菌するために、流出口近傍に紫外線光源をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の水生成装置。
【請求項９】
流出口を通ってダクトから排出された凝縮水を保持する水収容装置をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の水生成装置。
【請求項１０】
コールドシンクの温度を求めるための温度センサをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の水生成装置。
【請求項１１】
温度センサと露点センサ手段との両方に応答して、コールドシンクを周囲空気の露点以下に維持するために、可変速度空気移動手段の速度を制御する制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の水生成装置。
【請求項１２】
周囲空気から水を効率的に抽出する水生成装置であって、
低温側と高温側を有する熱電冷却装置と、
冷却装置の低温側と熱結合され、接触する空気を冷却するコールドシンクと、
冷却装置の高温側と熱結合され、冷却装置から熱を除去するヒートシンクと、
コールドシンクを通過してそのままヒートシンクを通過する空気通路を形成するエアダクトと、
周囲空気の流れをエアダクトを通してコールドシンクを通過させて、空気をその露点以下に冷却し該空気流から水を凝縮させ、次に、周囲空気の流れをヒートシンクを通過させて、冷却装置からさらに熱を除去して効率を高める、、少なくとも１つの可変速度空気移動装置と、
周囲空気の露点を求めるための露点センサと、
コールドシンクの温度を求めるための温度センサと、
露点センサと温度センサとの両方に応答して、コールドシンクを周囲空気の露点以下の温度に維持し水生成の効率を維持するために、可変速度空気移動装置のうち少なくとも１つの速度を制御する制御部とを含むことを特徴とする水生成装置。
【請求項１３】
コールドシンク近傍に紫外線光源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項１４】
ホットシンク近傍に紫外線光源をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項１５】
連続動作を可能にしたことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項１６】
周囲空気の露点を定期的にサンプリングする手段をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の水生成装置。
【請求項１７】
露点が少なくとも所定レベルである場合にのみ、装置が動作する効率動作モードを可能にしたことを特徴とする請求項２に記載の水生成装置。
【請求項１８】
エアダクトはヒートシンクと連通する周囲空気入口を規定し、さらなる周囲空気がヒートシンクを横切って移動できるように、周囲空気入口と流体連通してヒートシンクの冷却性を高める、空気移動手段をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の水生成装置。
【請求項１９】
ヒートシンク温度検知手段をさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の水生成装置。
【請求項２０】
ヒートシンク温度検知手段に応答して、追加の空気移動装置の動作を制御する制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の水生成装置。
【請求項２１】
収容されている水を加熱する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項２２】
収容されている水を冷却する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項２３】
該装置を使用して周囲空気から抽出された水の温度を変更する手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項２４】
水生成装置と動作可能に結合され、電力を供給して水生成装置を動作させる太陽光発電手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項２５】
ダクトを通る空気流の乱流を増加させるためにエアダクト内に配置され、装置の効率を高める、１以上の空気分流器をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の水生成装置。
【請求項２６】
ヒートシンクおよびコールドシンクの少なくとも１つが波形フィンを含むことを特徴とする請求項１に記載の水生成装置。
【請求項２７】
フィンの波形が、通路手段を通る空気流と平行であることを特徴とする請求項２６に記載の水生成装置。
【請求項２８】
フィンの波形が、通路手段を通る空気流に対して垂直であることを特徴とする請求項２６に記載の水生成装置。
【請求項２９】
周囲空気から水を抽出する水生成装置からの水を収容する収容容器に殺菌済みの空気を供給するシステムであって、
収容容器から水を引き出す際に、空気流を収容容器内に供給する通路手段と、
空気が通路手段に入る際に該空気を殺菌するために、通路手段に紫外線光を浴びせるための紫外線光源とを含むことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は水凝縮装置に関し、より詳細には、空気から飲料水を作る熱電装置に関する。
【０００２】
発明の背景
近年、オフィスにおいても家庭においても人々にとっては、水道水よりもボトル入りの水を飲む方が便利になってきている。他にも、水の入手が困難である場合、入手可能な水の品質が良くない場合など、多くの状況が存在する。このような場合、多くは、水を購入した場所から使用することになる場所へそれを運ぶ必要が生じる。そのため、これらの問題を軽減するべく、水の生成をその場で行う試みがなされてきた。これらの試みは、実質的にはどれも従来のコンプレッサ、冷却剤、蒸発・凝縮コイルなどの従来の方法を使用している。クローゼット用除湿機など、小規模の熱電技術を用いて空気から水蒸気を抽出する試みもある。しかしながら、公知の試みはどれも、航空機に見られる冷却装置の場合のように、狭く閉ざされた空間を冷却することとは別の理由から冷却された空気を使用することの利点を無視してきた。
【０００３】
発明の要約
本発明は、従来の冷媒ベースシステムよりも広範囲の温度および湿度条件において、周囲空気から飲料水を安全かつ効率的に抽出する、特有の組み合わせにおいて新規および従来の熱電技術、検知技術、計算技術、さらに他の公知の装置を使用して周囲空気から飲料水を作るために設計された飲料水生成装置を提供する。本発明は、必要に応じて、ヒートシンクを横切る追加の周囲空気が補給された、熱電装置のヒートシンクを冷却するために冷却された空気を一意的に利用することで、除湿処理の効率の最大化を対処している。本発明はさらに、流入する周囲空気温度と、露点に関連したコールドシンクの温度とに関連した空気流の制御を扱っている。
【０００４】
本発明は、冷却された処理済空気を分流および利用して熱電ヒートシンクを冷却する効率をさらに高め、それによって冷却装置の効率を著しく向上させる、特有のダクト手段を提供する。このダクトに追加の周囲空気が補給されて、ヒートシンクを必要に応じてさらに冷却することが可能である。
【０００５】
本発明は、閉鎖した連続システム内において、凝縮した水蒸気を取り込み、後続の水処理および／または収容へと分流する手段としても機能するエアダクトを提供する。
【０００６】
本発明は、現在の周囲空気の露点を求める反復手段と、コールドシンクにわたる周囲空気流の速度を制御する手段とを提供し、該手段によって、最小量の消費エネルギで、またより広範囲の温度および湿度極限にわたって、現存する水蒸気の凝縮を最大化することができる。
【０００７】
本発明は、エアダクトから処理または収容エリアへ流れ込む水流出口に紫外線電球を計画的に配置することで、空気から凝縮した水の処理または収容エリア（恒久的または一時的）への殺菌流入口を提供する。本発明は、処理システムから収容エリアへの流出点および／または収容エリアから流出点に、同様に計画的に配置された紫外線電球を使用して、水処理システムからの殺菌流出口をさらに提供する。より大型のモデルでは、これは第２の紫外線電球によって達成されてもよい。
【０００８】
本発明は、同様に計画的に配置された紫外線電球を紫外線透過性チュービングと共に使用して、事前処理された水を紫外線殺菌し、さらに処理済の水としても紫外線殺菌する反復紫外線殺菌を提供する。より大型のモデルでは、これは第２の紫外線電球によって達成されてもよい。
【０００９】
当業者には、以下の好ましい実施形態の説明と添付の図面から、これ以外の目的、特徴および利点が明白となるであろう。
【００１０】
好適な実施例の詳細な説明
図１に、本発明による水生成装置３０を示す。この図は、本発明に関連した特徴のみを示している。たとえば水と空気フィルタ、紫外線露出、電力および電気線図、キャビネトリ、制御パネルのようなこれ以外の全ての特徴を示していない。熱電装置３２は、この装置３２の低温側と熱結合された複数の冷却シンクフィン３７を具備したコールドシンク３６と、装置３２高温側と熱結合されたヒートシンクフィン３９を具備したヒートシンク３８とを有する。送風手段４０および／または４１（たとえばファン）は、周囲空気をコールドシンク３６を通過させることで、露点以下に冷却し、空気から水滴４２を凝縮する。さらに、これによって空気も冷却される。コールドシンク３６によって冷却された空気をヒートシンク３８を通過させるために、エアダクトであってもよい通路手段３４が配置されている。空気が冷却されるので、ヒートシンク３８からより多くの熱が引き出され、これによって装置３２の効率が高まり、所与のエネルギ入力からより多くの水を抽出または凝縮することができる。空気の流れを矢符Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆにて示す。明瞭性の理由から、この図面中では水の収集、処理、収容、および搬送を示していない。補助ダクト空気流入口４３と、空気を矢符Ｆの方向へ送る可変速度ファンまたは送風機４４とによって、ヒートシンクフィン３９にわたる周囲空気の補助的な空気流を実現することができる。明瞭性のためにこれらの正確な位置は示していない。
【００１１】
図２に、本発明による水生成装置のより完全な好適な実施形態を示す。同図において、装置２８は本発明に関連した構成要素を示している。明瞭性のために同図は、完全に完成した装置内の好ましいまたは望ましい付加的な既知の特徴を示していない。
【００１２】
連続したエアダクト１４の両端には、流入周囲空気流入口１と処理済み空気排出口３とを設けている。周囲空気は、可変速度ファンまたは送風機２によって配管内に引き込まれ、ダクトシステム内を強制的に通過させられる。これを、排出可変速度ファンまたは送風機４、および／または追加のダクト空気流入口４３および可変速度ファンまたは送風機４４によって補助することもできる。明瞭性のために、これらの正確な位置は示していない。このエアダクト内にはコールドシンク５とヒートシンク６とが包囲されている。コールドシンク上に温度損失を生じ、ヒートシンク上に温度利得を生じるために、ヒートシンクとコールドシンクの間には１以上の熱電装置７が（要望に従って平行および／または並列に）位置決めされている。
【００１３】
冷却された空気は、コールドシンク５から出ると、配管分流部８によってヒートシンク６へと直接分流される。これによって、当然ながら温度がより高い周囲空気のみを使用した場合の冷却能力とは対照的にヒートシンクの冷却能力が増加する。
【００１４】
配管１４は、凝縮され、エアダクトのそのエリアに収集された水のための下部流出口９を有する。流出口９は、最初の水収容部および／または水処理システム１０への流入口としても機能する。この収容部または処理システム１０への流入口は、流出口９を通過する水に紫外線光を浴びせることによって、殺菌流入口および／または直接水殺菌装置としても機能する紫外線光源１５によって保護される。紫外線光源１５は、水が収容装置から引き出される際に水収容装置１１，１６へ流入する空気を殺菌するためにも使用できる。これは、一端が容器内に、他端が紫外線光源１５からの光を浴びるように配置されているチュービングまたはパイピング２２，２３を備える空気通路によっても達成されてもよい。これによって、空気はチュービングまたはパイピング２２，２３に入る際に殺菌され、容器１１，１６内の水の汚染を阻止する。配管１４には、さらに、配管１４内の空気の殺菌に加え、それぞれコールドシンク５とヒートシンク６とを殺菌する紫外線電球１８，１７を含んでいてもよい。
【００１５】
空気から水蒸気を凝縮させるには、流入する周囲空気を露点にまで冷却することが必要である。装置１２は、流入空気の任意の時点における温度および相対湿度の組合せ測定から、公知の方法で、流入した空気の露点温度を求める。次に、装置１２は、コールドシンク温度を求め、ファンまたは送風機２、ファンまたは送風機４、およびファンまたは送風機４４の動作速度を順次制御することによって、コールドシンクにわたって流入する周囲空気の体積と速度とを制御することによって、コールドシンクの望ましい温度を（少なくとも露点以下に）制御する。コールドシンクの温度を求めるセンサ２１も、この目的を達成するために有用である。
【００１６】
最終的に、処理済みの水が、使用者が飲料水を取り出すための常設または取り外し可能な容器１１へ分流される。容器１１は、２つの容器１１，１６に分離されていてもよく、その一方には温水が分配され、他方には冷水が分配されてもよい。これらの容器は、１個であっても２個であっても、また常設型であっても取り外し可能型であっても、装置３０上のあらゆる位置、あるいは離れた場所に設けた収容エリアに垂直設置することができる。冷却および／または加熱された水を提供するためには、水加熱装置１９が収容容器内の水を加熱、または水が取り出される際に加熱することができ、かつ／または収容容器内の水を冷却するか、または水が取り出される際に、冷却装置２０を使用することができる。
【００１７】
図３は、オペレータ制御パネル４３（スイッチ６３，６４，６５を備える）と、表示パネル４４と、中央処理装置（ＣＰＵ）４２と、さらに全部揃って設けてもそうでなくてもよい追加の構成要素との間の関係および相互作用性を示している。オペレータ制御スイッチ４３は、オン／オフスイッチ６３と、通常動作スイッチ６４と、効率動作スイッチ６５とを含んでもよい。このシステムは、いわゆる「通常」動作モードと、いわゆる「効率」動作モードで動作することができる。通常モードでは、動作はオン／オフスイッチによって制御される。この場合、ユニットは幅広い範囲の周囲条件にわたって動作し、実際の水生成率は適宜変化する。効率動作モードでは、システムは、プログラムで指定された水生成率以上である場合にのみ自動的に動作するように、工場でプログラムされている。一例を挙げると、特定期間に特定量の水、たとえば１日に２ガロンをユニットが生成することができる露点である場合にのみ動作する。効率動作モード中、１日に２ガロンをユニットが生成することができる条件にないときには、ユニットは動作しない。これによって、最小のエネルギ消費にて満足のゆく水生成率が確実に得られる。一般に、効率モードにおいて、システムは、周囲空気を定期的に、例えば１時間に２回、自動的にサンプリングし、その結果、必要に応じて、オンまたはオフにする。サンプリングを行う前にユニットが運転していなかった場合には、システムは適当な送風機またはファンを自動的にオンにしてセンサに周囲空気を供給し、もし露点が充分であれば、ユニットはオン状態のままで水の抽出を始める。また、露点に達していなければ、ユニットは次のサンプリング期間まで動作を停止する。
【００１８】
本発明は、種々の電源手段による動作を考慮している。ペルチェ装置は直流供給下で動作する。このシステムは、制御部４３を通して供給されるような図３に示されるように、適切に調整された電力をユニットに供給する電力調整手段７１を有していてもよい。正確な電力供給の方法は当業者にとっては明らかである。このシステムは、たとえば交流電源７２あるいは直流電源７０などの１以上の電源から電力を受けるようにすることができる。１以上の電源は、特定の場所で利用可能なライン電力、または専用に設けられた発電機、あるいはソーラパネルなどの代替エネルギ源であってよい。実用サイズに制限のあるユニットは、ソーラパネルによって供給可能な電力量で動作することができ、システムを完全に携帯型にし、電源または発電機なしでどこででも使用できるようになる。
【００１９】
ＣＰＵ４２へのこれ以外の入力には、第１紫外線センサ５０と、追加の紫外線センサ５１と、容器満杯センサ５２と、収容水の温度センサ５３（２つであってもよい）と、容器水位センサ５４と、コールドシンク温度センサ５５と、周囲空気温度センサ５６と、周囲湿度センサ５７と、空気フィルタ効率センサ５８と、空気フィルタ位置センサ５９と、水フィルタ・タイムアウト・センサ６０と、水フィルタ容量センサ６１と、有効水フィルタセンサ６２とが含まれていてもよい。これらの種々のセンサおよび携帯型水生成システムでの利用は技術分野においては、たとえば米国特許第５１０６５１２号明細書、米国特許第５１４９４４６号明細書、および米国特許第５２０３９８９号明細書に開示されるように公知であり、これら先行技術文献は参照によって本明細書に組込まれる。
【００２０】
ＣＰＵ４２の出力には、水ポンプ４８の制御、熱電装置４７の制御、水冷却装置手段４６の制御、および水加熱装置手段６６の制御のうち１種以上と、ファンまたは送風機４５の状態および速度を制御するために必要となる１種以上の制御とが含まれる。さらに、表示部４４もＣＰＵ４２によって制御される。
【００２１】
使用者がオフスイッチ６３によって水生成装置を停止すると、以下を除く全ての機能が停止する。すなわち、全ての紫外線光源はオン状態のまま維持される。第１紫外線センサ５０は、ＣＰＵ４２がユニットの以降の動作を無効にし表示パネル４４上で使用者に対して改善措置を通知することになる不適切な紫外線透過の監視を継続する。第２紫外線センサ５１が存在する場合にも、同様の動作を行う。水フィルタ・タイムアウト・センサ６０または水フィルタ容量制限センサ６１も、やはりＣＰＵにユニットを停止させ、その理由を使用者に対して表示パネル４４上に表示する。収容水の温度センサ５３は、収容水を冷却するためにＣＰＵに第２冷却装置手段４６を始動させ、および／または工場指定温度に上昇させるために水加熱手段６６を始動させる。
【００２２】
図４および図５は本発明の他の実施形態を概略的に示しており、ここでは、明瞭性の目的から、他の既知の構成要素を示していない。図４は、波形の熱交換フィン８１が突出したホットシンクまたはコールドシンク８０が内設されたエアダクト８３への入口の上面図である。波形フィンは、より大きな表面積と波形によって生じる空気流の乱流との両方のために、直線形フィンとは対照的により高い熱交換率に寄与する。本実施形態では、波形は空気流と平行である。より高い熱交換率に寄与するさらに別の特徴は、１以上の突出部８２をダクト８３の１以上の側壁上へ組み込んだことであり、これによって空気がダクト壁から離れた方向へ向けられ、その結果、空気の乱流が増加し、空気とフィン８１との接触が増加する。突出部８２は任意の所望の形状をとることができるが、空気流がフィンに向かう滑らかな傾斜路を示すために断面がほぼ三角形となるようにすることが好ましい。
【００２３】
図５にこの流れを概略的に示す。矢符Ｇ〜Ｌで示した空気流方向によって示されるように、ダクト９５の壁上の人工構造９２〜９４が、空気をフィン９１（ホットシンクまたはコールドシンク９０に結合されている）へ向けて送る。この図ではさらに、空気流に対して平行ではなく垂直な波形を備えたフィンを示している。
【００２４】
本発明の特定の特徴が示された図面と示されていない図面があるが、これは、各特徴を本発明による他の特徴のいくつかまたは全てと組み合わせることができることから、簡便性のみの目的による。
【００２５】
当業者は他の実施形態を思いつくであろうが、これらは請求の範囲内のものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の略側面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態の略線図である。
【図３】好ましい実施形態の電子機器、感知および制御システムのブロック線図である。
【図４】本発明の別の実施形態の正面略図である。
【図５】本発明のさらに別の実施形態の部分略側部断面図である。
【図１】
2006526089.tif 000003
【図２】
2006526089.tif 000004
【図３】
2006526089.tif 000005
【図４】
2006526089.tif 000006
【図５】
2006526089.tif 000007
【国際調査報告】
2006526089.tif 000008