(57)【要約】本水再使用システム（３０）は外側シェル（４０）、中間シェル（３０）および内側シェル（３４）を含む一連の同心状の薄いシェルを含む。これらシェルは真空または低圧に維持できるハウジング（５０）内に取り付けられている。これらシェルは高速で回転する。シェルの間に形成された空間内にハウジングの外側からの汚染された液体が注入され、遠心力によって液体はシェルの内側に向いた表面に沿って薄膜を形成する。圧縮機（２２０）は薄膜に隣接する圧力を低下させ、液体を沸騰させる。圧縮機は蒸気を若干高い温度でシェルの反対側へ蒸気を運ぶ。汚染された液体を沸騰させるために熱が伝えられるので、より低温になっている壁に蒸気が衝突する。衝突した蒸気は凝縮され、回転によって凝縮物が隣接する壁に投げ出され、この壁で凝縮物が収集される。凝縮時に凝縮熱がシェルへ伝わり、入力される汚染された液体を沸騰させる。このシステム（３０）は蒸発から凝縮までのサイクル流を完結するのに、蒸気圧縮のエネルギー以外の熱源を必要としない。
2004503373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ハウジングと、
ｂ）回転軸線を中心として回転し、これに沿って延びるハウジング内に設けられた、離間し、ほぼ同心状の少なくとも３つのシェルを備え、該少なくとも３つのシェルが回転軸線に最も近い内側シェルと、回転軸線から最も遠い外側シェルと、前記内側シェルと前記外側シェルとの間に位置する中間シェルとを備え、前記シェルが、２つの空間、すなわち前記内側シェルと前記中間シェルとの間の内側空間、および前記中間シェルと外側シェルとの間の外側空間とを形成し、各空間が２つの端部を有するようになっており、
ｃ）低圧側および高圧側を有する圧縮機を更に備え、前記低圧側が内側空間に連通し、内側空間内の圧力を低下させ、前記高圧側が前記外側空間に連通しており、
ｄ）流体源、および該流体源と前記内側空間に作動的に接続されており、前記内側空間に流体を送るためのインジェクタと、
ｅ）流体が通過して流れることができる前記外側空間からの出口と、
ｆ）該出口からの流体が流入して流体を収集するハウジング内に設けられた収集器とを備える、ボイラー兼凝縮システム。
【請求項２】
前記流体源に接続されたチューブと、該チューブに連通し、該チューブからの流体を受ける複数のチューブ状部材とを更に備え、各チューブ状部材の少なくとも一部が、前記内側シェルおよび中間シェルに隣接しており、前記インジェクタが、チューブ状部材に取り付けられており、ここで、チューブ状部材が前記内側シェルおよび中間シェルに隣接している、請求項１記載のボイラー兼凝縮システム。
【請求項３】
前記圧縮機が、前記シェルの回転軸線を中心として回転するファンである、請求項１記載のボイラー兼凝縮システム。
【請求項４】
前記ファンの少なくとも一部が、前記シェルの内部に位置している、請求項３記載のボイラー兼凝縮システム。
【請求項５】
前記ファンから下流側に設けられたダクトを更に含む、請求項３記載のボイラー兼凝縮システム。
【請求項６】
ａ）離間した複数のシェルが、第１の低圧力を受けるようにさせる過程を有し、前記シェルが熱エネルギーを伝えるようになっており、各シェルが、共通する回転軸線を有すると共に、隣接するシェルの間に位置する空間と、前記回転軸線側の内側表面および前記回転軸線と反対側の外側表面とを有し、前記シェルが、第１の組のシェルおよび第２の組のシェルを形成し、シェルが回転軸線から外側に延びる際に、各組のシェルと他の組のシェルとが交互に配置されており、
ｂ）前記回転軸線を中心として、前記シェルを回転させる過程と、
ｃ）前記第１の組の回転シェルのうちのシェルに沿って液体を注入し、該液体が、第１の組の回転シェルの内側表面に膜を形成する過程と、
ｄ）前記第１の組の回転シェルの内側表面と前記第２の組の回転シェルの外側表面との間において、液体の一部を沸騰させ、蒸気を形成させ、液体の一部を汚泥として残すのに十分低圧である第２の低圧までに圧力を更に下げる過程と、
ｅ）蒸気を圧縮し、該蒸気を第１の組の回転シェルの外側表面と、第２の組の回転シェルの内側表面との間の空間に向け、蒸気が第１の組の回転シェルの外側表面に接触し、この外側表面で凝縮物を形成するように凝縮させる過程とを備え、前記シェルの回転により、凝縮物を前記第１の組の回転シェルの内側表面に収集するようになっており、
ｆ）前記第１の組の回転シェルの内側表面から凝縮物を収集する過程と、
ｇ）前記第１の組の回転シェルの内側表面から汚泥を収集する過程とを有する、汚染された液体を処理するための方法。
【請求項７】
前記第１の組の回転シェルの外側表面から離間するように凝縮物を流し、ここで凝縮物を収集し、収集した凝縮物を回転軸線に向け、回転軸線の近くでシステムから外に凝縮物を通過させることを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
低圧力状態となっている外側チャンバと、
共通回転軸線を中心として回転する少なくとも１対の第１および第２のほぼ同心状シェルを有する、前記外側チャンバ内に設けられた内側ハウジングとを備え、各シェルが入口端部および出口端部を有し、
前記外側チャンバの外側から前記第１シェルの入口端部まで延びる汚染された液体の入口と、
前記第１シェルの出口端部から下流側に設けられた圧縮機と、
前記第１シェルの出口端部から前記圧縮機まで延び、更に前記圧縮機から第２シェルの入口端部まで延びる障害物のない通路と、
前記第１シェルの出口端部から下流側に設けられた汚染物の出口と、
前記第２シェルの出口端部から下流側に設けられた、浄化された液体の出口とを備えた、汚染された液体を浄化するための装置。
【請求項９】
各シェルの出口端部が前記シェルの入口端部よりも大きい直径を有する、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記外側チャンバが、回転軸線に整合する１対のハブ、および該ハブの各々を貫通するシャフトを備え、各シャフトが、ベアリングを支持しており、各ベアリングがベアリングを中心として回転できるように内側ハウジングの一端を支持している、請求項８記載の装置。
【請求項１１】
各シャフトが中空であり、前記汚染された液体の入口が、前記中空シャフトの１つを貫通する入口チューブを備えている、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記入口チューブに連通するブランチチューブを更に備え、前記ブランチチューブが、前記シェルの入口端部に隣接する少なくとも一部を有し、更に前記ブランチチューブに連通する少なくとも１つのインジェクタを備え、該インジェクタが、汚染された液体を前記シェルの入口端部に注入するようになっている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記シェルの入口端部が共通平面状であり、前記シェルの出口端部が共通平面状であり、前記圧縮機が、回転軸線に取り付けられたファンを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１４】
前記シェルの出口端部の平面に隣接して、前記ファンの少なくとも一部が取り付けられている、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記ファンに連通し、回転軸線のまわりに設けられたダクトを更に備える、請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
前記外側チャンバが回転軸線に整合した一対のハブ、および該ハブを貫通するシャフトを備え、前記圧縮機が、回転軸線において、シャフトの１つに取り付けられたファンを含む、請求項８記載の装置。
【請求項１７】
前記外側チャンバが回転軸線に整合する１対のハブ、および該ハブの各々を貫通するシャフトを備え、本装置が最大直径のシェルよりも直径が大きく、更にシェルの入口端部に隣接して取り付けられた第１収集リング、および該第１収集リングからシャフトの１つに隣接する出口まで延びる固定ディップチューブを更に備える、請求項８記載の装置。
【請求項１８】
共通する回転軸線を中心として、少なくとも１対の第１および第２同心シェルを回転させる過程を備え、各シェルが、入力端および出力端、ならびに回転軸線に向いた内側表面および回転軸線から反対の方を向いた外側表面を有し、該シェルが真空状態となっており、
前記第１シェルの入口端に汚染された液体を注入し、前記第１シェルの内側表面に沿って汚染された液体を沸騰させ、浄化された蒸気および汚染物を含む残りの液体を形成する過程と、
前記浄化された蒸気に圧力を加え、浄化された蒸気の圧力を上げ、蒸気を前記第２シェルの入口端部に向け、前記第１シェルの外側表面に沿って、浄化された蒸気を浄化された液体として凝縮し、遠心力により浄化された液体を前記第２シェルの内側表面に放出する過程と、
前記第２シェルの出口端部から浄化された液体を収集し、前記第１シェルの出口端部から残りの液体を収集する過程とを有する、汚染された液体を浄化するための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、極めて効率的な上記圧縮／真空蒸留サイクルを使った、塩水および下水の再使用システムおよび方法に関する。このシステムおよび方法は、塩水または汚水に対して最大の用途を有するが、他の流体を再使用すること、または流体から有害廃棄物を除去するのにも適用できる。
【０００２】
（技術の状態）
蒸留は、汚染された水供給部から、好ましくない物質を除去したり、またはブラインから、塩分を除去するために知られている一般的な方法である。この方法は、汚染物と水蒸気との異なる蒸気圧の間での選択的な相変化によって行われる。
【０００３】
水を蒸発させることによる相変化は、最初に地球に水が発生して以来、雨水を連続的に循環させているプロセスである。従って、水本体と大気圧との間の異なる蒸気圧、および水本体に作用する太陽放射線からの熱フラックスのバランスが蒸発量に影響している。
【０００４】
海抜０において、熱フラックスが水の沸点１００℃（２１２°Ｆ）まで上昇しない場合、大気圧では蒸留は低速度である（メートル換算値は近似値である）。従って、大気圧で水を蒸留するには、熱エネルギーにより、温度を周辺温度から１００℃（２１２°Ｆ）まで上昇させなければならない。この温度では、水は沸騰し、蒸発し、液体からガスに変化する。水が一旦蒸発すると、水蒸気から液状の水を凝縮するには、低温源が存在していなければならない。
【０００５】
また、コールドトラップから熱を除去し、流体を凝縮するための連続的な低温源を得るのに、別のエネルギーを使用しなければならない。
【０００６】
汚染された液体を大気圧で沸騰させることは、通常、経済的に好ましくない。脱塩または廃棄物管理をするために、温度変化は、約２１℃〜１００℃（７０°Ｆ〜２１２°Ｆ）となり、温度差（ΔＴ）は、６１℃（１４２°Ｆ）となる。これよりも低温の天候では、温度差はより大きくなることが多い。
【０００７】
水を加熱して沸騰させ、水蒸気を凝縮するのに充分低温に凝縮器を維持するのにエネルギーが必要であるので、従来の水蒸留システムでは、コストのかかるマルチ効果沸騰チャンバを使用しなければ、作動させることができないほど高価となる。
【０００８】
これら従来の水蒸留システムにおけるニッチ（隙間）として、特殊な用途がある。例えば海洋または塩水湖の近くの砂漠の領域内、船および宇宙の用途において、携帯可能な水のニーズと高エネルギーのコストとの間で、妥協を図ることができる。また、汚染物を水から除去しなければならないほど有害である場合、高エネルギーコストを受け入れできることもある。
【０００９】
高温蒸留は高価になるだけでなく、別の問題も引き起こす。ミネラル分または有機分子を含む汚染された液体を処理する際に、より高温にすると、分子間の化学反応が生じる。一部の反応により、ボイラーの壁に障害を与えるような高分子量の分子が形成され、浄化が困難になる。
【００１０】
また、高温により、汚染物内の有機細胞の壁が破壊され、これによって、有機物質が液体内に遊離することがある。高温の沸騰により、低分子量の汚染物が生じ、水蒸気が凝縮器に向かって蒸発し、移動することがある。
【００１１】
塩水を再使用するための逆浸透圧（Ｒ．Ｏ．）システムも、一般的である。しかしこのシステムも、コストが高くつき、大規模用途には適用されていない。
【００１２】
室温蒸留およびＲ．Ｏ．の問題があるにも拘わらず、米国における脱塩能力は増加している。技術評価局では、例えば１９５５年では、米国は脱塩能力はほとんどなく、１９７０年では、一日当たり３０００万ガロン（１日当たり１億１３５０万リットル）未満しか製造できなかった。１９８５年までに、能力は２億ｇａｌ／ｄ（１日当たり７億５７００万リットル）を越えた。
【００１３】
まだこの能力は、米国での年間の水使用量と比較して極めて少量である。例えば米国地質サービスは、１９９５年の米国における全真水排出量は３４１０億ｇａｌ／ｄ（１日当たり１．２９×１０１２リットル）であったとレポートしている。
【００１４】
従来の蒸留システムは、公知のボイラーを使用している。ボイラーは効率が研究され、実証されている高度な技術である。例えば、Ｗ．Ｈ．マカダムズ著「熱伝達第２版」（マクグロウヒル社、１９４２年、１３３〜１３７ページ）を参照。
【００１５】
（ボイラーおよび凝縮器の相変化プロセス）液体からガスへの相変化を生じさせるのに必要なエネルギーは、次に示す方程式の熱によって定められる。
【００１６】
【数１】
2004503373.tif 000003
ここで、
【数２】
2004503373.tif 000004
ｗ＝蒸発すべき流体の重量；（ポンド）　　　　　　　　　　　　（１ｂ）
Δｈν＝流体の蒸発熱；（ＢＴＵ／ポンド）　　　　　　　　　　 （１ｃ）
【００１７】
連続供給フロープロセス中は、時間当たりに必要なエネルギーは、単に式（１）の時間部分であり、次のように示される。
【００１８】
【数３】
2004503373.tif 000005
ここで、
【数４】
2004503373.tif 000006
【数５】
2004503373.tif 000007
【００１９】
ボイラーと凝縮器との間の熱交換レートは、対流プロセスと伝達プロセスとの双方の組み合わせによって示され、次の式によって定められる冷却のニュートンの法則によって示される。
【００２０】
【数６】
2004503373.tif 000008
ここで、Ｕ＝全熱交換係数；（ＢＴＵ／（平方フィート時°Ｆ））　（３ａ）
Ａ＝ボイラーおよび凝縮器の全面積；（平方フィート）　　　　　　（３ｂ）
ΔＴ＝ＴＣ−ＴＢ＝ボイラーと凝縮器との間の温度差（°Ｆ）　　　　（３ｃ）
【００２１】
局部的な個々の熱交換係数の標準的平列加算により、全熱交換係数を計算すると、次の式が得られる。
【００２２】
【数７】
2004503373.tif 000009
【００２３】
Ｗ．Ｈ．マカダムズ著「熱伝達」第２版（マクグロウヒル社、１９４２年、１３３〜１３７ページ）を参照。この文献は、次のような定義をしている。
【００２４】
ｈＣ＝凝縮器の局部的熱交換係数；（ＢＴＵ／（平方フィート時°Ｆ））
（４ａ）
ｈＢ＝ボイラーの局部的熱交換係数；（ＢＴＵ／（平方フィート時°Ｆ））
（４ｂ）
ｋｗａｌｌ、ｋｆｌｕｉｄ＝壁および流体の熱伝達率（ＢＴＵ／（フィート時°Ｆ））
（４ｃ）
ｔｗａｌｌ、ｔｆｌｕｉｄ＝共通通壁の厚み（フィート）　　　　　　 　　　（４ｄ）
【００２５】
蒸留ユニットから浄化された流体の時間当たりの温度で表示される質量流量
2004503373.tif 000010
は、式（２）と（３）とを組み合わせることによって計算でき、次の式が得られる。
【００２６】
【数８】
2004503373.tif 000011
１日当たりのガロンの単位では、質量流量
2004503373.tif 000012
は次の式に等しくなる。
【数９】
2004503373.tif 000013
ここで、
【数１０】
2004503373.tif 000014
ＣＧ＝ガロン／日への定数変換＝（２４／８．３４５４）　　　　　 （６ｂ）
【００２７】
これまでの式における量は、温度および圧力に依存しているので、汚水またはその他の任意の流体に対する最適な熱力学的サイクルは、流体および汚染物に依存している。しかしながら、ほとんどの流体の性質は既知である。従って、特定の流体を考慮することができ、更にコンピュータのマイクロプロセッサフィードバックおよび制御システムは、特定の条件に対して調節できる。
【００２８】
熱交換性能：式（５）および（６）は、全熱交換係数Ｕの線形増加により、システムの出力流量も線形に増加することを示している。温度差を大きくするには、エネルギー消費量も大きくする必要がある。制御されない周辺入力温度は、作動温度を決定する。従って、作動温度Ｔまたは温度差ΔＴを大きくすることなく、熱交換係数を最大にすることが有利である。
【００２９】
ボイラーの薄い肉厚：熱伝達率ｋｗａｌｌの大きい金属と共に極めて薄いボイラー／凝縮器の肉厚ｔｗａｌｌを使用することが重要である。一般に肉厚は、０．２５ｍｍ〜０．３８ｍｍ（０．０１０インチ〜０．０１５インチ）である。代表的なスチールとボイラーの壁面に対する熱伝達率は、約２５ＢＴＵ／（フィート時°Ｆ）（０．４３ワット／ｃｍ℃）である。この値は、２００００〜３００００ＢＴＵ／（平方フィート時°Ｆ）のボイラーの壁の熱伝達交換レートを与える。
【００３０】
薄い膜の沸騰：ボイラーの表面に対する汚水の流体膜厚を最大にすると、ボイラー内の流体に対する熱交換が改善される。従来のボイラーは、ボイラー表面に対する均一な薄い流体の膜を形成しない。従って、従来のボイラーは、流体の膜を通して熱を伝達するのに、大きい温度勾配に依存しなければならなかった。
【００３１】
薄膜の沸騰は、通常、より低い沸騰温度で生じる。従来技術では、ボイラーの壁への液体の薄膜は、２つの異なる方法、例えばワイピングまたは噴霧でデポジットされていた。
【００３２】
アセンブリ全体を回転させることにより、向心「ｇ」の負荷は、ボイラー表面に対して、流体に均一な薄膜を形成させる。本発明では、ボイラーの回転速度に従い、インジェクタが液体の膜圧を調節している。コンピュータのフィードバック論理回路により、上記エネルギー消費量に対する浄化出力流量を最大にできる。
【００３３】
本出願人は、回転により向心負荷が生じると認識している。多くの文献は、この負荷を共通する用語で遠心力と称している。液体に作用するような遠心力は存在していないが、本願では、ボイラーシェルの内側において、液体が膜を形成するようにさせる力を示すために、「遠心」なる用語を使用する。
【００３４】
通常、流体の膜厚の値は、約０．２５ｍｍ〜０．５１ｍｍ（０．０２０インチ〜０．０１０インチ）の間に維持される。従来のボイラーは、このように小さい膜厚を維持できない。従って、沸騰時の熱交換レートは低下するので、大きいΔｔの温度差、または広いボイラーの表面積Ａでは、従来のボイラーのスループット流量は、作動範囲に限定される。
【００３５】
ボイラーの大きい熱交換率。比較的遅い流体速度（低いレイノズル数Ｒｅ）の条件では、対流および相変化のプロセスが沸騰時の熱交換レートを決定する。ボイラーにおける薄膜条件は、低いΔＴで有核沸騰を生じさせる条件を形成し、これによって、熱交換レートが高くなる。相変化による熱交換プロセスは、通常の液相だけの対流プロセスよりも複雑である。
【００３６】
液相の対流では、システムの幾何学的形状と共に、粘性、密度、熱伝達率、膨張係数、および比熱の流体の効果を含ませることによって、原理を記述できる。しかしながら、相変化による熱交換の数式は、表面の粗さ特性、表面張力、蒸発の潜熱、圧力、密度、および液体−蒸気のその他の性質も含んでいる。全プロセスは複雑となるので、経験的な実験データ、および次元解析により、分析的な表現が決定される。
【００３７】
ボイラーの表面に対する流体の重量は、熱交換を生じさせることができる主な要因である。従って、円筒形表面に対する回転する「ｇ」の場に入れて、流体の重量を人為的に増すことにより、沸騰時の熱交換レートを増すことができる。
【００３８】
高い凝縮器の熱交換率：一般に、純粋な蒸気が凝縮する時に生じる物理的プロセスは複雑である。このプロセスは、熱と質量の組み合わされた交換に関与しており、凝縮潜熱が、交換すべき熱を生じさせ、蒸気と凝縮物とは、移動される質量となる。凝縮熱交換レートは、一般に蒸気に含まれる大きい潜熱エネルギーに起因して高い。
【００３９】
凝縮物が凝縮器の表面に液滴として残る時、プロセスの効率は低くなる。表面に残る液滴は、新しい蒸気が表面に到達するのを阻止する。従って、凝縮器の表面から、液滴状をした凝縮物を除くと効率が高くなる。
【００４０】
凝縮器の表面が円筒形であり、外側に向いている場合、凝縮器を大きいｇで回転させると、凝縮物は、凝縮器の壁から投げ出される。速度が増すにつれ、凝縮物は、より迅速に壁から流れ出し、蒸気を受け入れる準備が完了した表面が完全に生じる。
【００４１】
（発明の概要）
本発明の主な目的は、ブライン、およびその他汚染された液体を、低コストで蒸留できる効率的な水再使用システムを提供することにある。
【００４２】
汚染された流体の蒸気温度の近くまで、システムの作動温度を下げることにより、小さい温度差（ΔＴ）、例えば３℃（６°Ｆ）、またはそれよりも低い値で、周辺温度で沸騰を生じさせることができる。薄いボイラーの壁の片側で低温の沸騰を生じさせ、壁の反対側で凝縮を生じさせることにより、凝縮流体により壁へ伝えられる熱は壁の反対側における沸騰を生じさせるためのエネルギーを提供できる。
【００４３】
更に、ボイラー／凝縮器の壁を円筒シェルとして構成し、ボイラーの表面を円筒体の回転軸線に向け、その軸を中心として円筒体を回転させることにより、流体により大きいｇの力を加えて、沸騰のための熱交換率を改善しうる。
【００４４】
同じように、凝縮器の表面は外側を向いているので、蒸気が凝縮する際に、凝縮器の液滴が凝縮器の表面から投げ出される。これによって、蒸気を受ける表面は、クリーンのままになり、凝縮器の効率が改善される。
【００４５】
回転するボイラー／凝縮器の高い熱交換能力により、周辺温度で沸騰が生じる。低温での沸騰は、沸騰する壁表面へのスケールの付着、および詰まりを最小にする。これにより、沸騰熱交換レートを極めて高いレベルに維持できる。
【００４６】
本発明の目的は、流体の膜厚の値を約０．５１ｍｍ〜０．２５ｍｍ（０．０２０インチ〜０．０１０インチ）の間に維持することである。加速されたｇの回転を受ける薄膜は、沸騰時の熱交換レートを数千ＢＴＵ／（平方フィート時°Ｆ）まで改善する。
【００４７】
本発明の別の目的は、小さい容積で、大きい容積の全体を処理しうる水再使用システムを、提供することにある。円筒形シェルを同心状に配置する、本発明のシステムにより、この目的を達成できる。
【００４８】
本発明の別の目的は、バッチモードの代わりに、連続的に作動するようにシステムを設計することにある。これにより、汚染された流体はシステムに進入し、システムから浄化された水またはその他の浄化された流体は排出され、連続して収集される。同様に、塩分またはその他の汚染物は、連続してシステムから排出され、別個に収集される。
【００４９】
一部または多くの汚染された流体は、蒸発しにくい。従って、このシステムは、例えば入力されるブラインの１００％を、携帯可能な水に変換できない。変換パーセントが増すにつれ、沸点の上昇も大きくなり、システムのエネルギー条件も増す。その理由は、塩分濃度が増すにつれ、残りの流体を沸騰させるのに、温度増加分をより大きくすることが必要であるからである。海水からのブラインは、高価ではなく、若干高い塩分濃度で、海洋にブラインを戻すことは、通常許容できる。
【００５０】
従って、本発明の目的は、変換されるブラインのパーセントを、１００％よりも低く維持し、より少ないエネルギーを使用して、極めて経済的にできるようにすることである。他方、システムが、保管または廃棄しなければならない有害廃棄物を除去する場合、出力の容積を限定すること（すなわち汚染物と共に残る流体の量を制限すること）が恐らく好ましい。
【００５１】
従って、これらシステムは、より高いパーセントのこれら汚染された流体を処理し、蒸発させることができる。
【００５２】
本発明の別の目的は、ブラインから高度に有害な廃棄物などの異なるタイプの流体を処理できるシステムを設計することにある。
【００５３】
本発明の別の目的は、種々の部品を比較的低コストで製造できる構造体を、提供することにある。本発明は、同心状の円筒形またはテーパの付いたシェルを使用している。本発明の目的は、異なる直径のシェルを提供することを含む、シェルを製造するための低コストの方法を提供することにある。
【００５４】
本発明の別の目的は、水蒸気の温度および圧力を若干高め、蒸気を凝縮表面に向けるための効率的な圧縮機を使用することにある。
【００５５】
本発明の別の目的は、他のシステムよりも小パワーで、よいプロセスを開示することにある。
【００５６】
本発明の別の目的は、完全に自動化でき、流体処理中に拡張できる材料を使用せず、最小のメンテナンスで、長い作動寿命を有する水、またはその他の流体の再使用装置を提供することにある。
【００５７】
これら目的を達成するため、本発明の水の再使用システムは、一連の同心状の薄いシェルを備えている。このシェルは、真空に維持できるハウジング内に取り付けられる。２つの隣接するシェルが沸騰空間を形成し、これらシェルのうちの１つと、次に隣接するシェルとが凝縮空間を形成する。従って、ボイラーと凝縮器とが、１つの共通する壁を共用している。このシェルは、ハウジング内で一体に回転するようにもなっている。
【００５８】
各沸騰空間の一端は、圧縮機に対して開口しており、この圧縮機は、圧力を高め、水が沸騰した後に水蒸気に熱を加える。流体が沸騰する際に、圧縮機は蒸気を凝縮空間に送る。凝縮空間は、圧縮機の下流側に開口している。
【００５９】
蒸気は、隣接する沸騰空間に共通する壁である凝縮機の壁に衝突する。蒸気は凝縮し、熱を壁またはシェルに伝える。この熱エネルギーは、新しく入って来た液体を沸騰させ、これによって、システムが使用するエネルギーが最小とされる。換言すれば、凝縮機内の凝縮潜熱が伝えられ、この熱はボイラー内の蒸発潜熱として使用される。従って、蒸発から凝縮までの周期的流れを完結するのに、蒸気圧縮のエネルギー以外の熱源を必要としない。
【００６０】
シェルの沸騰表面は、回転軸線に向いている。従って、沸騰表面上の液体は、大きくなったｇ力を受ける。沸騰表面への流体の流れを制御することにより、このシステムは、流体を薄膜として維持できる。この薄膜の沸騰および大きくなったｇ力は、熱交換レートを増加させる。
【００６１】
凝縮機の表面は外側を向いているので、蒸気がこの表面に衝突し、凝縮すると、即座にこの表面から投げ出される。これにより、表面はクリーンなままになり、この表面上で、新しい蒸気が凝縮する。大きいｇ力により、凝縮物、すなわち純粋な液体が、凝縮機の空間の外側シェルに沿って膜として収集される。シェルにテーパをつけることにより、凝縮物は、シェルの大径端部に向かって流れ、この部分で収集される。
【００６２】
ボイラー内で液体が沸騰する際に、大きいｇ力により、汚染物はボイラーの壁に維持される。このシステムの構造は、汚染物が入口に向かって戻るように流れるのを防止している。
【００６３】
大きいｇ力によっても、汚染物はボイラーの壁に沿って流れる。汚染物が壁の端部に到達すると、汚染物は、外側に投げ出され、リング内に収集される。汚染物は、リングから、ポンプまたは他の方法でハウジングから外に排出される。汚泥と純粋な液体とを分離し続けるために、汚染物および純粋な液体の収集を、シェルの両端部で行うことができる。
【００６４】
本システムは、超純粋な水、または他の液体を送ることができ、有害な廃棄物のクリーンアップ用途にも使用できる。本システムは、窒化物に汚染された井戸、シアン化物に汚染された鉱山、石油で汚染された地下水面、および水内に含まれる放射性汚染物さえも含むすべての種類の液状汚染物を分別する。
【００６５】
工業的用途として、繊維工場では、汚染された染料および溶液を水から分離でき、メッキ業界では、メッキトラフで使用された水から金属および化学薬品を分離でき、電子業界では、製造プロセス中に使用された溶液から有害化学薬品を分離できる。これらすべての用途は、異なるが、特定の作動条件で機能する同じ処理技術で取り扱うことができる。
【００６６】
以下に述べる本発明の実施例の説明から、上記およびそれ以外の目的が明らかとなると思う。
【００６７】
（実施例の詳細な説明）
本発明の水再使用システム１０は、図１４に簡略して示す低圧および凝縮方法を使用している。このシステムは、公知のものであり、蒸発器、すなわちボイラー１２と、凝縮機１４とを有する。ボイラーと凝縮機とは、内部の内容物が真空状態となるように、真空チャンバ（図１４には示されず）内に取り付けられている。ボイラーのチャンバ内には、汚染された液体、すなわちブライン１６が送られ、このボイラー内で、ブラインが共通するボイラー／凝縮機の壁１８上にプールされる。本願では、「汚染された液体」または「ブライン」なる用語を、交換的に使用する。
【００６８】
ボイラー１２には、圧縮機２０が接続されており、ボイラー内の圧力を低下させるようになっている。
【００６９】
圧縮機２０が発生する内部真空圧および圧力低下分を適当に調節することにより、液体１６が沸騰し、蒸発するようになっている。圧縮機は、この結果生じた蒸気を、矢印２２の方向に吸引する。圧縮機内で蒸気が圧縮されるにつれ、蒸気の温度は高まる。
【００７０】
加熱された蒸気は、矢印２４の方向に続く。蒸気が凝縮機１４に進入する際に、蒸気は共通壁１８に接触し、液滴２６となるように凝縮する。純粋な液体２８のプール内に液滴が落下し、凝縮した蒸気は、エネルギーを共通壁に伝える。凝縮機１４内の凝縮潜熱からのエネルギーは、ボイラー１２内の蒸発潜熱に供給するエネルギー源として働く。
【００７１】
本発明では、次の２つの主な構造的特徴により、出力が大幅に高まっている。
・共通壁１８を円筒形シェルにし、所定容積内に離間した同心シェルを取り付けたこと。
・シェルを高回転速度で回転させ、汚染された水および処理される水が、高いｇ力を受けるようにしたこと。
【００７２】
ボイラー／凝縮機のサブアセンブリ、およびそれの構成部品の実施例を示す図１は、双方の構造を示している。
【００７３】
回転するボイラーおよび凝縮機：本出願人は、本発明のシステムを直径約５０ｃｍ（２０インチ）から１．５ｍ（５フィート）以上とすることができると信じている。第１実施例は、より小型のシステムである。
【００７４】
本発明の再使用システム３０は、真空チャンバ８０（図１）内に取り付けられた内側ハウジング５０を含む。実施例の内側ハウジング５０の直径は、約３．６ｃｍ（１４．１インチ）である。しかし、この全システムの大きさを増減することができる。このシステム３０は、一連の同心状金属シェルを備えている。
【００７５】
実施例では、これらシェルは、ステンレススチール、アルミニウムまたはその他の金属としてあるが、一部のプラスチックも使用できる。金属の方が、良好な熱交換能力を有するが、プラスチックの方が、製造するのに安価である。
【００７６】
図１の実施例では、４つのシェルサブアセンブリを有し、各サブアセンブリが、２つのシェルを備えている。シェルのうちの３つのみについて説明する。すなわち、外側シェル４０と、外側シェル４０の内側にある中間シェル３２と、この中間シェルの内側にある内側シェル３４について説明する。
【００７７】
図１〜図４および図１０では、「内側」、または「中間」および「外側」なる用語は、相対的な用語であり、内側ハウジング５０内の３つの隣接するシェルを示す。
【００７８】
外側シェル４０と中間シェル３２との間の空間は、沸騰または蒸気チャンバ３８であり、中間シェル３２と内側シェル３４との間の空間は凝縮チャンバ３６である。この実施例では、各チャンバの高さは約１０ｍｍ（０．３９５インチ）となっている。
【００７９】
このシェルは、内側ハウジング５０の内部に取り付けられている（図１〜図４）。内側ハウジングを金属とすることができるが、本実施例では、このハウジングは剛性プラスチック、例えば「Ｌｅｘａｎ（登録商標）」である。
【００８０】
内側ハウジングは、２つのハウジング半分割体５２および５４から形成されており、これら半分割体環状部５６および５８に沿って一体に取り付けられている。
【００８１】
このアセンブリは、位置２８０および３００で分割することもでき、適当な締結用接着剤、溶接、ボルト、または他の締結具により、環状体は一体に固定されている。内側ハウジング５０の内側は、ハウジング５０の外側と異なる圧力となっているので、この接続部は固定し、気密としなければならない。
【００８２】
本実施例における内側ハウジングの直径は約３６ｃｍ（１４．２インチ）であり、その長さは、約２９．２ｃｍ（１１．５インチ）である。システムのスケールを増減した場合、これらの寸法は変わる。製造コストを低減するために、内側ハウジングの半分割体を、同一のものとすることが好ましい。
【００８３】
シェル３２、３８および４０は、ステンレススチールのような高熱伝達金属から形成されている。ステンレスは強力で、比較的低コストであり、塩または汚染物によって腐食されない。陽極酸化処理されたアルミニウムも、この材料として選択可能である。アルミニウムは、ステンレススチールよりも軽量であり、より良好な熱伝達率を有する。しかしながら、より弱く、より腐食性がある。
【００８４】
他の金属も使用可能であるが、それらの一部は弱すぎ、より高価であり、良好な熱伝達体ではなく、また耐腐食性ではない。このユニットのサイズは、材料を選択する上での要素となる。
【００８５】
本願は、ほぼ理想的な沸騰および凝縮を行うために、シェル（例えばシェル３２）の内外表面に特に注目するものであり、沸騰表面は、特殊な表面コーティングで処理できる。これら表面については、本発明の適用性に関連して試験済みである。
【００８６】
下記の理由から、シェル材料の表面に、スクラッチされた溝を設けることができる。「テフロン（登録商標）」のようなプラスチック材料の非湿潤性コーティングは、沸騰または凝縮を高めることができる。
【００８７】
内側ハウジング５０は、外側ハウジングまたは真空チャンバ８０内で回転できるように取り付けられている。チャンバ８０内の内部真空部と外側周辺圧力との間には、かなりの圧力が存在する。従って、真空チャンバの壁８２は、チャンバの外側からの圧力からの圧し潰しに耐えるよう、充分厚くしなければならない。この肉厚は、適当な安全要素との既知の関係を使って計算され、より大きい直径のチャンバに対しては、より厚くしなければならない。
【００８８】
重量および材料を節約するために、外側壁８２は卵の容器に類似したポケットを設けることができる。他の補強技術も使用できる。
【００８９】
１対のエンドキャップ８４と８６、および中心円筒形部分８８は、外側真空チャンバ８０（図１〜図４および図１１）を形成している。外径は、約５０ｃｍ（１９．７インチ）である。エンドキャップおよび円筒形部分も、金属とすることができるが、実施例では、これらは「Ｌｅｘａｎ（登録商標）」のような剛質のプラスチック製である。このプラスチックは、図１に示す小径のシステムに加わる負荷に耐えることができる程度に充分強力なものである。
【００９０】
真空チャンバがより大きい場合には、金属構造体またはファイバーを巻いた複合体が必要となることがある。各エンドキャップは、細い円筒形部分９２内にカーブした切頭円錐形部分９０を有する（図１および図１１）。平らな端部９２によって、図１が示すように、各エンドキャップに部品を取り付けることが可能となっている。これら部品については、後述する。
【００９１】
各エンドキャップの外側の間での端部から端部までの距離は、約６５．０ｃｍ（２５．６インチ）である。
【００９２】
このシステムは、膜形成を制御し、または他の方法で流体を制御するために、ボイラーまたは凝縮機の表面に締結された軸方向フェンスを使用できる。フェンス形状となっている別のシェル構造体については、図１５および図１６を参照されたい。
【００９３】
各エンドキャップの中心には、内側を向くハブ９６および９７（図１〜４）が設けられている。これらエンドキャップは、離間した外側補強リブ９８をも有する（図２〜図４および図１１）。実施例では、真空チャンバの片側で、単一エンドキャップを使用できるようにエンドキャップは、同一となっている。
【００９４】
真空チャンバ８０の円筒形部分８８を、成形プラスチック、ファイバーを巻いた複合体または金属とすることができる。円筒形部分から、外側に補強リブ１００が向いている（図１１）。
【００９５】
円筒形部分８８上の環状リング１０４には、エンドキャップ８４および８６上の環状リング１０２が接続されている。環状リングを貫通するボルト１０６が、円筒形部分のエンドキャップに固定されているが、他の締結も可能である。
【００９６】
チャンバ内にアクセスするために、取り外し可能なボルトを使用している。エンドキャップ８４および８６は、環状タング１０４も有し、このタング１０４は、円筒形部分上の環状溝１０６内に座着している。このタングおよび溝は、エンドキャップを円筒形部分に整合しており、良好なシールを形成するのに役立っている。
【００９７】
タングと溝との間に設けられたＯリング（図示せず）は、真空シールを保証している。チャンバ８０の内側は、ほぼ真空の圧力状態にあるので、周辺圧力は、エンドキャップを円筒形部分に押圧するように働く。
【００９８】
スタンド１１０は、システム３０を地上から離して支持できる。図１では、このスタンドは、システムを水平配置に支持しており、図１２では、別のスタンド１１１がシステムを垂直に取り付けている。所望により、水平または垂直の取り付けが可能となっている。以下に説明する図１３の垂直に取り付けられたシステムのアレイも参照されたい。
【００９９】
内側ハウジング５０は、回転軸線１３２を中心として、チャンバ８０内で回転できるように取り付けられている。この実施例では、回転軸線に沿って、エンドキャップ９０のそれぞれのハブ９６および９７を、中空シャフト１２０および１２２が貫通している。これらのシャフトは、後述するように流体を搬送するので、中空となっている。
【０１００】
各シャフトは、それぞれのリセス１２８および１３０内に固定されたフランジ１２４および１２６を有する（図１および図１０）。シャフトが高速回転できるように、内側ハウジング５０を支持しているので、これらのシャフトは、強力で精密な部品でなければならない。これらを、チャンバ８０のハブ９６および９７内に取り付けるための公差を保持することも重要である（図１０）。
【０１０１】
図９に良く示されているように、システムの左側（図１）のシャフト１２０は、内側ハウジングの半分割体５２の端部１４２上で、ハブ１４０内に延びている。ベアリング１４６によって、回転軸線１３２を中心としてハブ１４０（および内側ハウジング５０）は回転できる。
【０１０２】
同様に、図１０に良く示されているように、システムの右側のシャフト１２２は、内側ハウジングのハブ１４８内まで延びており、ベアリング１５２によって回転軸線を中心とするは部１４８の回転が可能となっている。
【０１０３】
本実施例では、ベアリング１４６（図９）および１５２（図１０）は、ボールベアリングであるが、当業者であれば、磁気ベアリングのような別のベアリングに置換することもできよう。どのベアリングも、長寿命で腐食されないものである。システムのサイズおよび重量、および内側ハウジング５０の回転速度は、ベアリングの選択に影響を与える。
【０１０４】
実施例では、ベルト、チェーン、またはギアドライブにより、内側ハウジング５０をモータ１６０で回転させるようになっている。モータは、右側エンドキャップ９０の外側に取り付けられている。図１０にも示すように、モータは、外側ハウジング８０の内部に延びている。双方のエンドキャップ９０は、製造コストを節約するために、エンドキャップを同一とするようにモータを取り付けるための構造１６８（図４）を有する。しかし、１つのモータ１６０しか使用せず、モータは右側エンドキャップに取り付けられている。
【０１０５】
本願出願人は、内側ハウジングを回転させるのに、極めて小型のモータで、すべての回転エネルギーを供給することを考えている。かかるモータは、約２５ワットの連続電力しか使用しないが、モータのサイズは、システムのサイズおよびシェルの下図に応じて変わる。電動モータが極めて効率的であり、標準的なモータコントローラで容易に制御できる。
【０１０６】
ユーティリティ（商用ライン）から電力を得られない場合、システムでは、発電機からの電力を使用できる。ソーラーパネルからの電気を使用して、全水再使用システムのための更新可能なエネルギーを提供することもできる。
【０１０７】
本実施例のベルト被動システムでは、モータ１６０がプーリー１６２を駆動し、プーリー１６２がベルト１６６を駆動するようになっている。次に、ベルトが内側ハウジング５０の右側にあるハブ１２２を中心として、プーリー１６４を駆動する（図１、図４および図１０）。
【０１０８】
出願人は、簡潔にするために、ベルト駆動装置を使用している。その理由は、ベルト駆動装置は、振動を最小にするからである。ダイレクトドライブ、チェーン、ギアまたはその他の駆動装置も使用できる。モータの出力速度およびプーリー１６２と１６４の相対的直径は、内側ハウジング５０の回転速度に影響を与える。
【０１０９】
本願出願人は図１およびその他の関連する図のような小型システムに対し（例えば約３５０ガロン／日）、内側ハウジングは、約５００ガロンの最も外側のシェルにｇ力を発生するのに、約１０００ｒｐｍで、内側ハウジングを回転しなければならないと予想している。
【０１１０】
流体および質量流量：内側チューブ１７０を通って、右側（図１）からシステムに汚染された流体が進入する（図１および図１０）。シャフト１２２内には、内側チューブが設けられている。内側チューブ１７０の上流側端部１７２は固定されており、ブラインまたはその他の汚染された液体源に接続されている。しかし、チューブの下流側端部１７４は、内側ハウジング５０の回転と共に回転する。内側チューブ１７０の上流側端部と下流側端部との間にシール（図示せず）が必要である。このシールは、真空チャンバ８０の外側でも、チャンバのハブ９７の内側でも、チャンバの内側でもよい。
【０１１１】
入口チューブの下流側端部１７４は、いくつかのブランチとして終端している。実施例では、３つのブランチ１８０、１８２および１８４を有する。特に図５を参照されたい。ブランチの数は、シェルハウジングの回転速度、サイズ、およびシェルの数に応じて変わり得る。各ブランチは、いくつかのインジェクタを有し、実施例では、各ブランチに対し４つのインジェクタ１８６、１８９、１９０、１９２が設けられている（図５参照）。
【０１１２】
実施例では、ブランチごとに、４つのインジェクタを使用している。その理由は、各インジェクタは、沸騰または蒸気チャンバのうちの１つ、例えばチャンバ３８（図１）と整合しているからである。実施例では、４つのかかるチャンバを有する。
【０１１３】
汚染された液体は、入口チューブから、シールを通って、ブランチ１８０、１８２および１８４内へ流れ、次に、インジェクタ１８６、１８８、１９０および１９２を通って、沸騰チャンバ、例えばチャンバ３８内に流れる。ブランチが高速回転することにより、汚染された液体に圧力ヘッドが生じ、この圧力は、回転軸線１３２からのインジェクタの距離によって変わる。従って、各インジェクタは、圧力差を補償するために流れ制限器、すなわちノズルを有することができる。
【０１１４】
他方、沸騰チャンバ内に汚染された液体が注入されると、回転から生じる遠心力によって、シェル４０の内側に沿って、汚染された液体の薄膜が形成される。回転軸線から離れた内側を向く壁の面積は、軸線に近いほうの同様な壁の面積よりも広いので、同じ薄膜の厚みを生じるのに、遠い方の壁はより多量の汚染され液体を必要とする。流体の粘性も、流量に影響している。変化する条件を考慮するよう、コンピュータのフィードバック制御により、ノズルまたはその他の流量制御装置を調節することができる。
【０１１５】
汚染された液体は低圧であるので、シェルの壁からのエネルギーは、低温でも液体を沸騰させる。前に述べたように、薄膜および高遠心力によって、沸騰が促進されている。
【０１１６】
汚染された液体の一部は、蒸気となる。この蒸気は、汚染されていない純粋なガス状分子である。従来のボイラーでは、一部の汚染物が蒸発するか、または固体として機械的に投げ出され、蒸留物の一部となる。
【０１１７】
本発明においては、汚染物に作用するｇ力は、より重い分子が蒸発したり、または汚染された液体の膜から離間するのを阻止する。従って、凝縮された水は、従来のボイラーおよび凝縮機で得られ得ものよりも噴水であり、バクテリア、ビールス、有機分子、または物質を含みにくい。このシステムは、充分なｇ力を発生するはずであるので、ビールスは水蒸気と共に出ることはないはずである。
【０１１８】
汚染された液体で、蒸発しないもある。従って、この蒸発しない液体は、汚染物によってより濃縮される。高いｇ遠心力は、この汚泥または濃縮された汚染液を、壁４０の内側表面に薄膜として残存させる。
【０１１９】
汚泥の説明に続く前に、蒸気の流れについて説明する。環状壁２００、２０２、２０４および２０６（図５）は、沸騰チャンバ、例えばチャンバ３６の上流側端部を閉じている（図２）。インジェクタ１８６、１８８、１９０および１９２（図５）は、環状壁を貫通しているが、壁が汚染された液体、汚泥または蒸気が沸騰チャンバの上流側に戻るように流れるのをブロックしている。従って、汚染された液体、汚泥および蒸気は、図１において左側に移動する。
【０１２０】
沸騰チャンバ、例えばチャンバ３８の下流側（図１内の左側）から蒸気が出た後、圧縮機のファン２２０が蒸気を吸引する。外側真空チャンバ８０内の圧力は極めて低いため、チャンバ３８は、０．１気圧以下、またはほぼ真空に近い圧力状態にある。このファン２２０も、沸騰チャンバ内の圧力を低下させている。
【０１２１】
このファンは、シェルハウジング５０の回転軸線１３２に沿って設けられている。小型電動モータ２２２がシャフト２２４を回転させ、シャフト２２４はファンに接続されており、このファンを回転させる（図１〜図４）。
【０１２２】
実施例では、ファンは単一ステージを有するが、一連のファンブレードから成る多数のステージを有することもできる。このファンは、シェルの回転方向と逆方向に回転する。従って、ファンからのトルクは、回転角方向のモーメントを保存することにより、シェルの回転を助ける。
【０１２３】
この実施例では、ファン２２０を駆動するのに、小ワットのモータ２２２で充分であると出願人は信じている。モータとシャフト２２４との間にギアを設けることができる。ファンおよびモータのサイズは、システムおよび処理すべき汚染された液体に対する圧縮量が得られるように選択される。
【０１２４】
ファン２２０から蒸気が出て、ファンの後方のダクト２２６に進入する（図１〜図４）。ダクトの形状は、選択された圧縮比を得るよう、ファンの出口で所望の圧力を発生するようになっている。
【０１２５】
実施例では、ファンにおけるダクトへの入口の直径は１４．２ｃｍ（５．６インチ）であり、出口における直径は１２．２ｃｍ（４．８インチ）であり、１：０．７３の比となっている。周辺温度および実際の汚染された液体を含む作動条件は、これらの比に影響する。ファンの効率の目標の範囲内で、調節を行わなければならない。
【０１２６】
次に、ボイラーおよび凝縮プロセスの説明に戻る。ファンは、沸騰表面からの蒸気を若干圧縮し、これによって、蒸気の断熱加熱が生じる。加熱量は、３℃（６°Ｆ）よりも低くしなければならない。ダクト２２６の右側（図１）から、若干加熱された蒸気が流出し、凝縮チャンバ、例えばチャンバ３８内に流入する。ここで蒸気は、シェル３２の外側表面に遭遇する。
【０１２７】
シェル３２の内側表面で、汚染された液体が沸騰すると、シェルからの熱エネルギーは、汚染された液体に移る。従って、シェルの壁は低温になる。若干加圧され、温かくなった蒸気が、低温のシェルの壁に衝突すると、この蒸気は凝縮される。
【０１２８】
大きいｇ力により、凝縮された液体が壁３４から投げ出され、壁３２に衝突する。大きいｇ力により、最も小さい凝縮物の液滴でも投げ出される。従って、凝縮物の表面は、連続して生じる凝縮を妨害しないよう、凝縮物を保持しない。従って、蒸気はクリーンな凝縮表面にしか遭遇しないので、凝縮が大幅に改善される。
【０１２９】
この凝縮物は、凝縮チャンバの外側シェル、例えばチャンバ３８のシェル３２に沿ってプールされる。遠心力により、純粋な水が薄膜状態にされる。純粋な水は、壁、例えば壁２００により右側に移動するのをブロックされ、シェルの左端部（図１）に向かって流れる。従って、図１の実施例では、凝縮シェル、例えばシェル３８の左側に純粋な水が集まる。汚泥も、沸騰シェル、例えばシェル３６の左側に移動する。
【０１３０】
凝縮物を収集する方法は、多数あるので、本願では、いくつかの方法について検討する。まず、図１の実施例を説明すると、図１〜図４および図６から判るように、凝縮物が左側（図１）に向かって流れると、凝縮物は、壁２４０、２４２または２４４（図６）に達する。各壁は、凝縮チャンバから壁を貫通し、収集チューブ２５６まで延びる出口チューブ２４６、２４８および２５０（図１）を有する。実施例では、３つの組のこれら収集チューブ２５６、２５８および２６０（図６）を有する。
【０１３１】
図１に示すように、出口チューブ２４６、２４８および２５０からの純粋な水は、収集チューブに達する。回転中の内側ハウジングからの遠心力により、純粋な水は、チューブ２５４（図１）まで移動される。このチューブは、壁２６２（図６）を貫通している。収集チューブ２５６、２５８および２６０における遠心力からの圧力により、純粋な水はチューブ２５６を通って、収集チャンバ２６８内に移動される。
【０１３２】
収集チャンバ２６８は、最も外側のチャンバであり、シェル４０と、外側シェル２７０とから形成されている（図１）。この実施例では、シェル２７０は、このシェルの右側にて約３６．１ｃｍ（１４．２インチ）の、より大きい直径のテーパがつけられていることに留意されたい。
【０１３３】
チューブ２５４から、収集チャンバ内に凝縮された純粋な液が流れ込むと、遠心力によって、液体は、シェル２７０の、直径がより大きい端部（右側）に向けて流される。収集チャンバの右端部は、ブロックされていない（図１および図５）。従って、凝縮物は、シェル２７０の端部から離れ、トラフ２８０内に流入する。このトラフの外側の寸法は、シェル２７０の大径よりも大きいので、遠心力によって、凝縮物はトラフ内で円周方向にプールされる。
【０１３４】
トラフ２８０内の開端部２８８から、中空シャフト１２２における取り付け部２９０まで、固定ディッパーチューブ２８６が延びている。このディッパーチューブは、シャフトに固定されており、内側ハウジング５０と共に回転しないようになっている。開端部２８８は、内側ハウジングの回転方向に向いている。
【０１３５】
従って、この開端部に、純粋な凝縮物が高速度で進入し、開端部から取り付け部、および中空シャフトに向かって、ディッパーチューブ内を凝縮物が流れる。このディッパーチューブは、中空シャフト１２２に向かう凝縮物の流れを容易にするような形状となっている。
【０１３６】
中空シャフト１２２の中心開口部２９２は、入口チューブ１７０の外径よりも大きい直径となっている（図１）。この中心開口部は、純粋な凝縮物が中心開口部を通過して流れ、凝縮物が中空シャフト１２２の端部で収集されるように、取り付け部２９０まで延びている。大気圧におけるシステムの内部から最終収集部までの凝縮物の生じ得る若干の運動エネルギーの損失を克服するために、小型ポンプが必要となる。
【０１３７】
ちなみに、汚泥、例えば蒸発していない、より濃縮された汚染液体は、沸騰チャンバの内側を向く壁（例えば沸騰チャンバ３６の壁４０）に沿って、左側（図１）に移動する。このシェルにも、左側により大きい直径のテーパがつけられていることに留意されたい。従って、遠心力により汚泥は左に流される。
【０１３８】
汚泥がシェルの左端部に到達すると、遠心力により、汚泥は外側に投げ出され、ここで汚泥は、円周方向のトラフ３００内に収集される。遠心力により、凝縮物はトラフ内にプールされる。
【０１３９】
純粋な凝縮物のための他のディッパーチューブ２８６と類似する、汚泥のための固定式ディッパーチューブ３０２が、トラフ３００内の開端部３０４から、中空シャフト１２０における取り付け部３０６まで延びている（図１および図９）。
【０１４０】
ディッパーチューブ３０２も、内側ハウジング５０と共には回転しない。開端部３０６は、汚泥が高速で開端部に進入し、取り付け部３０６および中空シャフト１２０に向かって流れるように、内側ハウジングの回転方向を向いている（図６）。このディッパーチューブは、中空シャフトに向かう凝縮物の流れを容易にするような形状とされている。
【０１４１】
図９に示すように、取り付け部３０６は、ディッパーチューブ３０２と連通する環状溝３０８を有する。環状溝から中空シャフト１２０の中心部３１２内まで、１つ以上のボア３１０が延びている。中心部３１２は、エンドキャップ８４に固定されており、回転しないようになっている。汚泥は、シャフトの中心を通って流れ、収集されるようになっている。
【０１４２】
実施例では、液体に作用する遠心力により、より大きい直径の端部に向かう流体の流れを促進するように、シェルにはテーパが付いている。これとは異なり、シェルは、円筒形でもよい。この場合でも、流体は、円筒壁に沿って流れる。
【０１４３】
汚染された液体は、ボイラーの壁（例えば外側壁４０の内側（図１））に薄膜を形成するので、より多量の汚染された液体がシェルの一端部に注入されるにつれ、ｇ力によって、より薄い液体のレベルが形成される。これによって、液体は液体のレベルをより均一にする方向にシェルの壁の反対の端部に向かって流れる。
【０１４４】
実際にｇ力は、シェルが垂直方向（例えば図１２および１３の場合のように、垂直回転軸線１３２）にそて取り付けられていても、液体が壁に沿って液体を上方に流すのに十分な大きさでなければならない。垂直取り付けはボイラーの壁に沿った汚泥の下方への移動を促進するので、汚泥は、各シェルの底端部から離れて流れ、収集され得る。
【０１４５】
図１３は、６×５アレイの３０個のシステムを、どのように有利に一体に取り付けできるかを示している。各システムが隣接するシステムに接触すると仮定した場合、このアレイは、３．１ｍ（１０フィート）×２．６ｍ（８．５フィート）よりも小さくなる。このアレイは、多数の小トラックのベッドに取り付けるのに充分小さい。
【０１４６】
更に、０．９ｍ（３フィート）よりも低いスタンドを有するアレイの高さでは、トラックに２つのレベルのアレイを取り付けできる。これにより、６０個のシステムを、迅速に緊急場所へ運搬し、携帯可能な水を製造し、汚染された液体を処理し、他の用途に使用することが可能となる。
【０１４７】
本例の連続出力は、１日当たり２１０００ガロン（７９０００リットル）の真水を作成すると予想されている。このシステムは、４８馬力（３５．７ｋＷ）の電力しか必要としない。
【０１４８】
大きい直径の物体を高速回転させると、バランス上の問題を生じさせることがある。本願出願人は、シェルアセンブリ５０をリアルタイムで自動的に２平面のバランスを利用することを考えついた。
【０１４９】
シェルに沿った円周トラック上で移動できる２つ以上のウェイトをおくことは、システムをバランスさせる１つの方法である。リアルタイムでバランスを測定し、ウェイトのアジマス配置を制御するためのセンサは、正常な作動中にシェルアセンブリの連続的なバランスおよび安定性を維持する。
【０１５０】
進入するブラインまたは汚染された液体からの水が蒸発するにつれ、シェル（例えばシェル４０）のボイラー表面に、塩分または汚泥が残る。本発明のシステムの作動中、温度は低いので、熱は汚染物の化学反応を生じさせない。また、ボイラー表面には一部の汚泥または塩分が集まる傾向がある。
【０１５１】
更に、一部の進入する汚染された流体は、極めて粘性が高い場合がある。同様に、プロセスは、生じる汚泥が粘性となるように、汚染された流体からの充分な水分を蒸発させることができる。従って、１つ以上の高圧スプレーノズルが、それぞれのシェルの各ボイラー表面に水を向ける。
【０１５２】
図１はかかる１つのスプレーノズルを示している。このノズルは、恒久的に目標を定めることができるし、またコンピュータ制御で、ノズルを向け、ノズルの前方で壁が回転する際に壁に向けてパルス状のスプレーを向けるように、ノズルを移動させることができる。このパルス状のスプレーは、遠心力により、汚泥を左に移動させ、シェルの端部から離間させるように、汚泥をゆるめる。
【０１５３】
図１では、シェルは回転するシェルの左側にあるが、ノズルは、右側でもよい。これとは異なり、回転するシェルのボイラー出口側で、ラジアルトラック上を径方向に移動される単一の高圧ノズルで、すべてのボイラーシェルを自動的にクリーンにできる。
【０１５４】
本出願人は、システムが正常に作動する間、クリーニング用ノズルが作動することを予想するものである。所望の場合、入力液体の蒸発を停止するように、時々圧縮機２２０を停止できる。入力液体の流れも停止できる。しかしながら、シェルの回転は続行する。こうして、シェルの左側からゆるくなった汚泥が流れ、所望するように収集される。
【０１５５】
小型の流体アキュムレータによって、スカートを発生してもよいし、高圧水のパルスによってこの作業を行ってもよい。
【０１５６】
図２には示されていないが、シェル、例えばシェル４０および３２の沸騰表面の左側は、出口端部において、短い環状ダムを有してもよい。このダムは、薄膜の予定する高さよりも若干高くなる。しかしながら、出願人は、ダムを必要とする事なく、所望する量の流体を蒸発できるように、入力される汚染された液体の流体の流れを制御できると予想している。
【０１５７】
このシステムは、すべての流体が１つのエンドキャップを通って出るか、または離間するか、もしくは入口と出口とを分離するように設計できる。チャンバの壁８１（図１）を通って、真空チャンバから出ることもできる。
【０１５８】
図１の実施例におけるシェルの直径が小さいため、従来の形成技術を使ってシェルを形成できる。シリンダを形成するのに、ステンレススチールのシェルをエッジ溶接したり、またテーパ付きシェルを形成するのに、エッジにアングルを付けることができる。マンドレル上で円筒形シェルを押し出し、引き伸ばすことができる。プラスチック製シェルは所望する形状に成形できる。仕上げ部分として、ワックスマンドレル上で電着することは、別の製造技術である。
【０１５９】
より大きいシェル、例えば直径１．５ｍ（５フィート）のシェルは、コストを低下させるための製造技術を必要とする。
【０１６０】
図１５および図１６は、円筒形シェルを製造するためのある方法を示す。多数の細い板４０２と４１０がシェル４００を形成しており、各板は、主要壁４０８、４１６、および１対の内側に延びるサイドウェブ４０４と４０６、４１２と４１４とを有する（図１６）。
【０１６１】
主要壁４０２および４１６は、図示するように湾曲していてもよいし、また平面状でもよい。これらの板は、他の金属加工技術を使用し、押し出し、ロール加工し、または成形することができる。そのウェブは、シェルの強度も増している。このことは、直径のより大きいシェルにとって重要なことである。
【０１６２】
ウェブは、またシェルの壁に沿って長手方向に流体のチャンネルも形成している。板はウェブに沿って、一体に溶着またはセメント接着される。沸騰チャンバ３６と凝縮チャンバ３８との間の圧力差を維持することが重要であるので、溶着部は、リークを生じることなく、ウェブをシールしなければならない。ジョイント部が強力で、かつ漏れに対して密である限り、レーザー、ＴＩＧ、またはその他の溶接方法を使用できる。
【０１６３】
板からシェルを製造することによって、板の枚数を変え、シェルの円周、従って直径を変えることが可能となっている。各板の幅はＳ１であり、各ウェブの高さはＳ２である。１００枚の板４０２および４１０が、最も外側のシェルを形成し、シェルが１．５２ｍ（５フィート）の直径を有すると仮定する。従って、円周長さが４．８ｍ（１５．７フィート）となる。各板の幅は、４．６５ｃｍ（０．１５５フィート）または約４．７２ｃｍ（１．８９インチ）となる。
【０１６４】
１枚のシェルを、１つ少ない板で形成することによって、円周長さをこの値だけ減らすと、円周方向長さは４．６ｍ（１５．５フィート）となり、直径は、１．５１ｍ（４．９５フィート）となる。従って、１枚の板を除いたシェルの円周長さは、３．３ｃｍ（０．１１フィート）短くなる。シェルの間の空間は、その距離の半分、すなわち約１．８ｃｍ（０．７インチ）となる。シェルが徐々に小さくなるにつれ、直径の差、従って間隔は変化する。この変化を補償するために、回転軸線により近いシェルに対しては、異なる寸法の板を設けることができる。
【０１６５】
これまでの説明では、計算を容易にするために、板の枚数を１００とした。隣接するシェルの間隔を、所望に応じて変えるために、板の枚数およびそれらの幅は、変わってもよい。
【０１６６】
本願出願人は、シェルの各異なる直径に対して、より少ない枚数の板を使用したり、若干異なるサイズの同じ枚数の板を使用することも可能であると予想する。強度を大きくするために、ウェブ、例えばウェブ４０４、４０６、４１２および４１４（図１６）を設けることができる。
【０１６７】
他のシェル形成技術を使用することも可能である。マンドレルのまわりに、シート状のステンレススチール、アルミニウム、または他の適当な材料を巻くことにより、一体的なシェルを形成することができる。連続したロール状の金属を使用すれば、コストが低下する。しかしながら、材料の厚さにより、シェルを適正に形成できた場合でも、この技術は困難となり得る。
【０１６８】
テーパ状シェルが保証される場合、図１７は、かかるシェルを製造する１つの方法を示す。シート４２０は、ステンレススチール、アルミニウム、または他の導電性材料であり、図に示される形状にカットされる。概念を示すために、図１７では、この形状は誇張されている。
【０１６９】
エッジ４２２および４２４が互いに当接するように、円錐形マンドレルのまわりにシートを巻いて溶接する。こうして、溶接されたシートは、円錐形またはテーパ形状を形成する。テーパ度は、アングル４２６と共に変わる。アングルが小さければ、大きいアングルが生じるテーパよりもよりゆるやかなテーパが生じる。
【０１７０】
従って、図２の実施例では、右側のシェルに純粋な水が集まり、左側に汚泥が集まる。シェルの右エッジ上を純粋な水が流れる場合に、水のモーメントによって水は、純水トラフ２８０へ送られる。遠心力により純水は、トラフ内に維持される。トラフ２８０の壁に設けられているバルブ（図示せず）により、純水はトラフから流出し、チャンバの壁９２の底部９３に沿って吸収される。
【０１７１】
トラフ１８０内の流体に作用する遠心力により、純水が集まり、純水は出口１８２へ送られる（図２）。タンク９２内の真空力と周辺空気圧との圧力差をポンプ１８４が克服するようになっている。このポンプは、純水を出口１８８へポンピングする。この水は、使用できるように収集される。純水の出力を制御するために、バルブ１８６を設けることもできる。
【０１７２】
シェルの左エッジ（図２）上を汚泥が流れる際に、モーメントは、汚泥をトラフ１９０内へ噴霧する。ベントリクルポンプ１９２により、液状汚泥は、チューブを通過し、出口１９４内へ移動される。出口およびベントリクルポンプは、固定式であり、シェルと共に回転することはない。トラフ１９０内の出口は、汚泥をポンプ用の収集器内へスプレーする。
【０１７３】
ポンプは、汚泥を加圧し、これを出口９４内へ向ける。ポンピングされた汚泥は、マニホールド１９６、出口チューブ４８および出口５０内へ流入し、出口で収集される。
【０１７４】
純水および汚泥の双方は、それぞれのトラフ内に収集される。水または汚泥をトラフから流出できるバルブは、水または汚泥のあるレベルを維持し、システム内の真空を維持するように制御されている。
【０１７５】
図１８は、別の収集システムを示す。この実施例では、ブラインまたは汚染された液体は、入口６７０からシステムに入る。チューブは、液体をインジェクタ６８６および６８８（略図で示されている）へ送る。図１８には、入口６７０から液体を搬送するブランチは示されていない。
【０１７６】
沸騰チャンバ（例えばチャンバ６３８）内の水は、薄膜状で壁６４０に沿って流れ、この壁で蒸発する。次に蒸気は、ファン６９０を通過し、凝縮チャンバ、例えばチャンバ６３６に入る。純水が凝縮し、シェルの右側面に進入する際に放射状に投げ出される。
【０１７７】
図１８の実施例では、隣接するシェルは、異なる方向に傾いていることに留意されたい。また、凝縮チャンバの左側（すなわちボイラーの出口側）は閉じられている。従って、この実施例では、凝縮物は右側に流れる。
【０１７８】
次に、凝縮物は、ボウル状をした吸収器６９２内に収集される。このボウル形状の収集器は、トラフ状の環状リング６９４を有する。このリングは、外側に傾斜し、６７２で合体し、その後、６７４で再びカーブし、入口チューブ６７０のまわりで閉じている。
【０１７９】
内側ボウル６７６も回転しない。このボウルは、このボウル自身とボウル形状をした収集器６７６との間に、チャンネル６７８を形成している。回転するシェルハウジング６５０の右側からの純水は、高速度でリング状部分６９４へ向かって流れる。水のモーメントにより、液体はチャンネル６７８に沿って運ばれ、チャンネルにて、出口６７１内へ流れる。
【０１８０】
ボウル状収集器６４０は、ボウル状収集器６９２のミラーであり、この収集器は、同じように汚泥を収集する。図１８の左側の内側ボウル６４２は、クリーニングノズル６４６を取り付ける表面を提供していることに留意されたい。
【０１８１】
図１８は、より大きいユニットのための、使用可能なシールも示している。回転する内側ハウジング６５０は、入口６７０および出口６７１を囲む環状部６５２を有する。この環状部は、粘性液体６５４を含む。ボウル状収集器６９２の領域６７２から、外側に延びる環状プレート６５６が、環状リング６５２内に延びている。内側ハウジング１６が高速度で回転すると、粘性液６５４は、空気がシールを通過して流れるのを防止する密なシールを形成する。
【０１８２】
ボイラーおよび凝縮機の表面積の設計：システムの水処理出力流量を増すためには、ボイラーおよび凝縮機の表面積をできるだけ広くし、かつコスト上、効果的かつ実用的としなければならない。式（６）に示されるように、出力流量は、ボイラーの表面積に線形に比例する。
【０１８３】
本発明の水処理システムのユニークな特徴は、このシステムが、ボイラーと凝縮機の共通する壁表面を使用していることである。効率的にパッケージし、高い熱交換を達成できることを条件に、シェルの間の分離距離を小さくし、１つの大きい円筒形容器内の半径を小さくした状態に、ボイラーと凝縮機との同心状のシェルに設計することにより、スペースを最良に節約したレイアウトが得られる。その後の解析は、本発明の一実施例のために、ボイラーと凝縮機の表面を組み合わせた全表面積を計算する式を与えている。これらの関係は、システムの重量、コスト、および出力流量の性能を予測している。
【０１８４】
３つの隣接する同軸状シェル、例えばシェル３２、３４および４０（図１）を検討した。シェルを検討する別の方法は、これらシェルをボイラーと凝縮機のシェルを有するペアとして考えることである。従って、このシステムは、１組のボイラーシェルと、１組の凝縮機シェルとを有する。ボイラーシェルの１つと隣接する凝縮機のシェルは、共通軸線を中心とする１つのグループのペアを形成する。次のボイラーと、最初に述べたペアに隣接する凝縮機シェルも、同じ軸線を中心とする１つのペアを形成する。
【０１８５】
図２および図３に示すように、各シェルの間には、固定された径方向の間隔ΔＲが存在する。理論的には、この間隔は変わり得るが、実施例では、間隔を一定としている。次の関係式は、すべてのボイラーと凝縮機のシェルの総面積を計算している。
【０１８６】
【数１１】
2004503373.tif 000015
【０１８７】
この式では、Ｎは、次の式によって示されるボイラーと凝縮機のシェルの数である。
【０１８８】
【数１２】
2004503373.tif 000016
【０１８９】
この式において、次の定義が適用される。
Ｒ１＆ＲＮ＝内側および外側のシェルの半径；（フィート）　　（１１ｂ）
ΔＲ＝各シェルの間の分離距離；（インチ）　　　　　　　　　（１１ｃ）
Ｒｉ＝各シェルｉの半径；（フィート）　　　　　　　　　　　（１１ｄ）
Ｌ＝すべてのシェルの長さ；（フィート）　　　　　　　　　　（１１ｅ）
【０１９０】
各シェルの間の共通分離距離ΔＲを有するようにシステム全体を設計すると、製造コストが最小となり、出力流量容量が最大となる。ｉ番目のシェル半径と、シェルの分離距離ΔＲとの間には、次の関係が存在する。
【０１９１】
【数１３】
2004503373.tif 000017
【０１９２】
従って、上記式（１１）および（１２）から、次の式によって、半径の合計が示される。
【０１９３】
【数１４】
2004503373.tif 000018
【０１９４】
式（１３）における２番目の和の項は、次の項を含むように評価される。
【０１９５】
【数１５】
2004503373.tif 000019
【０１９６】
加算アルゴリズムでは、最も内側の項および最も外側の項の各々は、Ｎまで加算され、次のように示される項は、（Ｎ−１）／２個存在する。
【０１９７】
【数１６】
2004503373.tif 000020
【０１９８】
従って、式（１４）によって示される和は、次のとおりである。
【０１９９】
【数１７】
2004503373.tif 000021
【０２００】
式（１１）内に式（１３）および（１５）を代入すると、全ボイラーおよび凝縮機のシェルの総面積が得られ、これは次の式に等しい。
【０２０１】
【数１８】
2004503373.tif 000022
【数１９】
2004503373.tif 000023
【０２０２】
この式において、
ＡＴｏｔａｌ＝すべてのシェルの面積の合計（平方フィート）　　　（１７ａ）
Ｒ１＝最も内側のシェルの半径（フィート）　　　　　　　　　（１７ｂ）
ＲＮ＝最も外側のシェルの半径（フィート）　　　　　　　　　（１７ｃ）
【０２０３】
ΔＲ＝シェル間の分離距離（インチ）　　　　　　　　　　　　（１７ｄ）
Ｎ＝ボイラーのシェルの数　　　　　　　　　　　　　　　　　（１７ｅ）
【０２０４】
ボイラーおよび凝縮機のシェルの重量は、それらの既知の重量密度、シェルの厚みｔおよび表面積ＡＴｏｔａｌから決定できる。重量は次の式で示される。
【０２０５】
【数２０】
2004503373.tif 000024
【数２１】
2004503373.tif 000025
【数２２】
2004503373.tif 000026
【０２０６】
これら式において、
ρｓｈｅｌｌ＝ボイラー／凝縮機のシェルの重量密度（温度／立方インチ）
（２０ａ）
ｔ＝シェルの厚み（インチ）　　　　　　　　　　　　　　　　（２０ｂ）
【０２０７】
エネルギー条件：前に検討したように、沸騰プロセスおよび凝縮プロセスに必要なエネルギーまたは熱源は、すべて蒸気圧縮システム２２０からくるものである。このシステムは、周辺温度と一致する沸騰水蒸気圧力の近くで作動するように調節される。
【０２０８】
好ましい圧縮機は、約０．５ｐｓｉ（０．０３５ｋｇ／平方ｃｍ）以下で、周辺温度条件（〜７０°Ｆまたは２１℃）で沸騰できる水蒸気に対し、約１．０５〜１．２５の圧力比を生じさせる。従って、圧縮機によってなされる仕事は、極めて低い。例えばＪ．Ｈ．キーナンおよびＦ．Ｇ．ケイズ著「スチームの熱力学的性質」（ジョン・ウィリー・アンド・サン社、１９３６年、２８〜３１ページ）を参照されたい。
【０２０９】
キーナンおよびケイズ両氏のプロセスは、ピストン−シリンダの圧力、および容積変化を考慮しているが、エネルギーの保存により、プロセスはすべての圧縮機の構造に対して、一般的かつ適用可能となっている。システムのエネルギー条件を予測するには、入出力熱力学的状態（圧力）および特定タイプの熱力学的プロセスしか必要でない。
【０２１０】
最初の原理から始めると、次の説明で、蒸留プロセスの圧縮機の動力条件を解析する。この解析は、プロセスを断熱的と見なすことにより、すなわち、圧縮された流体によってなされる仕事によって行われるものを除き、圧縮機の内外に熱エネルギーが流れないと考えることにより、圧縮機により流体に対してなされる仕事量を計算している。
【０２１１】
圧縮機の各サイクルの間で、流体に対して伝えられる熱量と比較し、圧縮機およびその周辺に伝えられる熱の相対量は小さく、圧縮機の効率の増加と共に低下する。圧縮機の非効率による損失の結果、蒸気の層状運動の流れが少なくなり、運動乱流が増加する。これら損失は、適当な圧縮機の設計により最小にできる。更に、最終結果に対し、圧縮機の非効率の損失を適用し、この蒸留プロセスのための近似的全エネルギー条件を決定することができる。
【０２１２】
一般に、シリンダ内でガスを距離
2004503373.tif 000027
だけ圧縮するのに必要な仕事量、すなわちエネルギーは、次のように表示することによって計算できる。
【０２１３】
【数２３】
2004503373.tif 000028
【０２１４】
この式では、
Ｗ＝圧縮の仕事量、すなわちエネルギー（フィート・ポンド）　（２１ａ）
ｐ＝ガスの圧力（ポンド／平方フィート）　　　　　　　　　　（２１ｂ）
Ｖ＝ガスの容積（立方フィート）　　　　　　　　　　　　　　（２１ｃ）
【０２１５】
式（２１）における下付き文字１および２は、２つの異なる状態、すなわち入出力容積または位置を示す。これらの容積状態は、断熱ガスの法則の変換によってガス状態に変換される。この場合、入力圧力ｐ１は、沸騰蒸気圧力ｐＢであるが、出力圧力ｐ２は、凝縮蒸気圧ｐＣである。Ｆ．Ｗ．シアーズおよびＧ．Ａ．サリンジャー両氏著「熱力学、運動理論および統計熱力学」（第３版、アジソンウェスリー社、１９７５年、１０８〜１０９ページ）は、支配的方程式について述べている。断熱プロセスに対し、初期熱力学的状態と最終熱力学的状態は、次の一定条件によって関連づけられる。
【０２１６】
【数２４】
2004503373.tif 000029
【０２１７】
この式において、Ｋは、取り除くことができる係数であり、γは、一定容積に対する一定圧力における比熱の比である。比熱の単位は、（ＢＴＵ／（ポンド°Ｆ））であり、比熱の比γは、次の式で定められる。
【０２１８】
【数２５】
2004503373.tif 000030
【０２１９】
比熱は、次の式で示されるように、ガスの分子量に関連している。
【０２２０】
【数２６】
2004503373.tif 000031
【０２２１】
この式では、Ｒは、（Ｆｔポンド／（°Ｆポンド））を単位とする普遍的ガス定数である。式（２１）内に示される積分を実行することによって、圧縮機により流体になされる仕事量を計算できる。
【０２２２】
式（２２）を式（２１）に代入し、簡略化すると、次の式が得られる。
【０２２３】
【数２７】
2004503373.tif 000032
【０２２４】
式（２５）内の仕事量の単位は、次の値に等しい定数変換ファクターＣＷのワット時である。
ＣＷ＝ワット時への定数変換比＝（７４６／（５５０×３６００））
（２５ａ）
【０２２５】
装置から蒸留される１ポンドの水あたりに必要なエネルギーを計算することは、熱力学的圧縮プロセスのエネルギー効率を特定する上で有効である。代表的な単位は、１ポンドあたりのワット時（Ｗ時／ポンド）である。この値は、式（２５）の時間微分であるエネルギー消費レートをまず決定することによって計算できる。連続フロープロセス中の入出力圧力は、定常状態にある。従って、時間変数となるのは一定容積Ｖ１の流量である。従って、次の式のようになる。
【０２２６】
【数２８】
2004503373.tif 000033
【０２２７】
この式において、
2004503373.tif 000034
は、蒸気の圧縮に必要なパワー（ワット）である。
【０２２８】
ここで、
2004503373.tif 000035
は、沸騰中の蒸気の質量流量および密度から計算できる。エネルギー条件とボイラーおよび凝縮機の質量流量とを関連させる。単位を検討すると、次の式が得られる。
【０２２９】
【数２９】
2004503373.tif 000036
【０２３０】
ここで、
【数３０】
2004503373.tif 000037
【数３１】
2004503373.tif 000038
ρ１＝沸騰した流体の蒸気密度（ポンド／立方フィート）　　　（２７ｃ）
【０２３１】
完全に効率的なシステムに対して発生される１ポンドの水あたりの得られる消費量
2004503373.tif 000039
は、
2004503373.tif 000040
によって計算される。式（２６）に式（２７）を代入することにより、予想される理想的エネルギー密度は、次のようになる。
【０２３２】
【数３２】
2004503373.tif 000041
【０２３３】
蒸気圧縮機およびモータのサブシステムの非効率による損失は、実際のエネルギー密度を増加させる。これらの組み合わされた非効率による損失をξとした場合、実際のエネルギー密度は、次のようになる。
【０２３４】
【数３３】
2004503373.tif 000042
【０２３５】
エネルギー密度
2004503373.tif 000043
を解くには、比熱の比が必要である。一定圧力での比熱しか測定できないので、一定容積における比熱を式（２３）から除くには、式（２４）が有効である。式（２３）に式（２４）を代入すると、次の式が得られる。
【０２３６】
【数３４】
2004503373.tif 000044
【０２３７】
この式では、ＭＷは、分子量（ポンド／モル）であり、この分子量は、水または水蒸気に対して１８である。
【０２３８】
これまでの式は、温度と圧力の双方に依存しているので、最適な熱力学的サイクルは、特定の流体のタイプ、周辺温度、および圧力、ならびに流体内の汚染物に依存した複雑で、かつ決定可能な関係である。
【０２３９】
このプロセスによって発生される１ポンドあたりの水に必要なエネルギー消費量を評価するために、完全に効率的な蒸気圧縮およびモータシステムに対して、式（２８）を使って計算を実行した。
【０２４０】
式（２８）を使って実行した計算は、蒸気密度、蒸気の比熱、および蒸気の入出力圧力状態に対する温度に依存する効果を内在的に含んでいる。これらの効果は、式には外在的には示されていない。しかし、計算プロセスにおいて、５次多項式を使った正確な直線はめこみは、これら依存性を含んでいる。
【０２４１】
図２８では、ボイラーの圧力は、ｐ１またはｐＢであり、凝縮機の圧力は、ｐ２またはｐＣで示されている。圧力比（ｐ１／ｐ２）のいくつかのグループが対比のために図示されている。表示された圧力比は、直接明らかでないが、２℃（４°Ｆ）以下のボイラー、および凝縮機の温度差では作動に成功するはずである。
【０２４２】
図２９の水蒸気沸騰曲線から温度の値を読み取ることにより、これら圧力値に温度の値を割り当てることができる。
【０２４３】
図２９では、圧力増加と共にガスの密度が増加する際に、ガスを圧縮するのに必要な大きくなった仕事量により、一定の圧力比の曲線の群に対し、おおむね増加する傾向が生じる。
【０２４４】
ボイラーの圧力が高くなる場合、凝縮機の圧力がボイラーの圧力よりも速く高くなることは、直接明らかではない。しかしながら、このことは、正しい。従って、ボイラーと凝縮機との間の圧力差Δｐは、圧力比が一定で、ボイラーの圧力が増加する場合には、増加するはずである。従って、凝縮機の圧力は、ボイラーの圧力よりも速く高くなる。
【０２４５】
更に、凝縮機の圧力がより速く高くなることは、凝縮機の蒸気密度が大きくなることに変換される。次に、このことにより、圧力比が固定されている場合に高くなるボイラー圧力に対して、圧縮機の仕事量が若干増加する。
【０２４６】
図２９に示された曲線群は、ボイラーの温度が高くなるにつれ、仕事の依存性が低下している。ボイラーと凝縮機の温度差ΔＴが固定されている場合、温度が上昇すると、圧力比（ｐ２／ｐ１）は小さくなる（図２８参照）。同様に、温度の上昇と共に蒸気密度は低下する。従って、ガスを圧縮するのに若干少ない仕事量ですむ。
【０２４７】
先に述べたように、モータおよび圧縮機の非効率性は、実際のシステムのエネルギー密度を大きくする（式（２９）参照）。
【０２４８】
図３０は、広範なレンジの効率損失、およびボイラーと凝縮機の温度差ΔＴが変化するいくつかの異なる熱力学的サイクルに対するシステムのエネルギー密度のサンプル計算を示す。
【０２４９】
図３０で使用されるデータは、非効率による損失がない場合の２１℃（７０°Ｆ）のボイラー温度に対応するエネルギー密度の値である。大型電気モータは、９３％〜９５％の範囲の効率で作動する。従って、９４％が妥当なモータの効率ξＭである。
【０２５０】
同様に、ジェット機の圧縮機は、８５％〜９０％またはそれ以上の効率を有する。従って、８５％の従来の圧縮機の効率ξＣを期待できる。組み合わされたシステム全体の効率は、次の値以上としなければならない。
【０２５１】
【数３５】
2004503373.tif 000045
【０２５２】
図３０内のデータは、これら非効率による損失からの廃熱を利用しないと仮定した場合に蒸留される１ポンドの水あたりの最終的に予想されるシステムのエネルギー条件を示している。このエネルギー条件は、より多く必要とされるエネルギーを低減するために、適当な熱交換機で有効に利用できる。
【０２５３】
海水内の塩分濃度は、同じ圧力および温度条件でも、純水に対する沸点の上昇を生じさせる。種々の海水濃度の沸点上昇を決定するために、ファブスおよびコロシ両氏によって開発された線形関係を使うことにより、沸点の上昇を計算できる。例えばＥ．Ｂ．ハウシ著「水の脱塩の基礎」（マーセル・ベッカー社、１９７４年、３０ページ）の沸点上昇と塩分濃度とのリニアな関係の説明を参照されたい。
【０２５４】
図３１および図３２は、種々の海水濃度の温度における沸点上昇と塩分濃度比との間のグラフの関係を示す。一例として、２４℃（７５°Ｆ）の周辺温度にて、３倍に濃縮された塩分濃度の比の結果、１℃（２°Ｆ）の沸点の上昇増加分よりも若干小さくなる。この沸点の上昇増加分は、純水の代わりに、ブライン溶液を脱塩した時に必要な付加的エネルギーである。
【０２５５】
主なパワー源は、コンプレッサのシャフト動力であることに留意することにより、本発明のプロセスに必要なパワーコストを計算できる。このシステムでは、ボイラー／凝縮機セルにおける流体の回転加速度に対する付加的な少量のエネルギーも必要とする。本願出願人は、この付加的エネルギーを、約０．２Ｗ時／ポンドと推定しいる。
【０２５６】
ユーティリティおよびソーラーセル、ディーゼルおよびその他の発電機からの電力も、本システムに給電するのに適している。ユーティリティの電力を利用すると仮定した場合、製造される１エーカーフィートの水あたりのコストは、次の簡単な関係式によって計算できる。
【０２５７】
【数３６】
2004503373.tif 000046
【数３７】
2004503373.tif 000047
【０２５８】
なお、１エーカーフィート＝１．２３×１０６リットルである。この式では、
2004503373.tif 000048
は、１ポンドあたりのワット時を単位とするシステムのエネルギー密度（図２２）であり、
2004503373.tif 000049
は、１キロワット時あたりのセントを単位とする、ユーティリティが供給する電力のコストである。
【０２５９】
化学プラントにおける有害廃棄物を分離するような他の用途では、水を分離するためのコストは、通常の水脱塩の場合よりも入力重量ごとの、より多い支出を必要とする。これら特殊な用途に対しては、大きいシステムよりも小さいシステムの方が、コスト的により効果的となる。動力入力が増加しても、より小型のシステムは、システムの資本コストが少ない。
【０２６０】
作動上の検討事項は、作動上の全体の経済性に応じて決まる。ファクターとしては、ドル表示の動力コストあたりの容積流量で示されるユーザーのニーズ、ユーザーが指定する実際のシステムサイズの制限および機器の資本コストが挙げられる。
【０２６１】
次の解析は、大きいｇの回転場において、薄膜に変換中の凝縮機とボイラーとの間の小さいΔＴの温度差から生じる、理論的に予測される熱交換性能の値を要約したものである。本願では、熱交換に対するこの大きいｇの回転場の効果を解決した。
【０２６２】
これらｇ構造が（１０００ｇまで、またはそれ以上）に大きくなればなるほど、熱交換係数も大きくなる。従って、ボイラーの全表面積をかなり小さくできる。これによって、製造方法がより簡単になり、より安価になる。従って、シェルの総数およびシステムの全重量も低減できる。これによって、更に熱交換係数も大きくできる。薄膜沸騰流体にかかる回転ｇ負荷は大きいので、このシステムでは、これらの利点を達成できる。
【０２６３】
プール沸騰レジーム、および核沸騰レジームの双方における沸騰熱交換係数を記述する一般関係式は、ローセナウによる研究に基づく（例えば応用熱設計のハンドブック、エリック・Ｃ・ガイヤー編集長、マックグロウヒル社、１９８９年、１〜７９ページを参照されたい）。ガイヤーは、相関化された実験データを使用した１９５２年に実行されたローセナウの元の研究を参考としている。ローセナウにより開発された関係式は、次の一般式で表わされる。
【０２６４】
【数３８】
2004503373.tif 000050
【０２６５】
ここで、変数は、２１℃（７０°Ｆ）の周辺入力温度で示される数値に対する代表的な範囲で下記のように定義される。
ｈＢ＝沸騰熱交換係数（１５０〜１５０００（ＢＴＵ／時（平方フィート°Ｆ）））
【数３９】
2004503373.tif 000051
ΔｈＬＧ＝蒸発水の熱（１０５４．３（ＢＴＵ／ポンド））
ΔＴＳＡＴ＝飽和温度差（２〜１０（°Ｆ））
【０２６６】
【数４０】
2004503373.tif 000052
【０２６７】
Ｄ＝シェルの直径（０．５〜５フィート）
Ｎ＝回転速度（５０〜２５００（ｒｐｍ））
ρＬ＝流体重量密度（６２．３（ポンド／立方フィート））
ρＧ＝蒸気の重量密度（１．１５×１０−３（ポンド／立方フィート））
ｇｇｒａｖ＝重量−質量変換（３２．２（フィート／秒２））
σ＝液体蒸気界面における表面張力（４．９７×１０−３（ポンド／フィート））
ＣＰＬ＝比熱流体（０．９９８（ＢＴＵ／（ポンド°Ｆ））
ＣＳＦ＝材料の実験定数（０．００５８〜０．０１３（単位なし））
【０２６８】
【数４１】
2004503373.tif 000053
【０２６９】
Ｓ＝指数定数（水に対しては１．０、およびその他のすべての流体に対しては１．７（単位なし））
式（３３）は、強制された流れの混合がないと仮定した場合に予想される沸騰熱交換係数を示す。強制された流れ混合があると、沸騰熱交換レートは駆動ΔＴが８℃（１°Ｆ）よりも低いときの大きさだけ増加する。例えばＷ．Ｈ．マックダムス著「熱伝達」（マックグロウヒル社、第３版、１９５４年、３７８ページ）参照。
【０２７０】
流体膜は、（シェルの配置に応じた垂直重力成分を有しながら）ボイラー表面に沿って移動する。流体は、回転力が誘導する大きい長手方向の圧力に起因し、大きく移動する。この熱交換の混合モードにより、式（３３）が単独で予想するよりも、沸騰熱交換レートを大きくする。
【０２７１】
沸騰熱交換の結果：図１９〜図２４は、熱交換レートに対する回転ｇと共に生じる一般的な動向の一連の計算を示す。これらの図は、２つの異なるボイラー表面の材料条件および３つの異なる周辺入力温度に対する三次元表面表示および二次元スライスプロットの双方である。
【０２７２】
これら図のいくつかは、２１℃（７０°Ｆ）、３２℃（９０°Ｆ）および４３℃（１１０°Ｆ）の周辺入力温度におけるステンレススチールシェル上の粗くコーティングされた「テフロン（登録商標）」ＰＴＦＥ表面に対して回転ｇが増した場合の、高められたボイラー熱交換挙動を示す。このシリーズは、ステンレススチール上のラフなテフロン（登録商標）コーティングに対して、経験的にＣＳＦ＝０．００５８と決定した材料特性係数を使用している。ガイヤーの文献１〜７９ページを参照されたい。
【０２７３】
研磨されたステンレススチールの代わりに、粗くテフロン（登録商標）コーティングされたステンレススチールを使用すると、沸騰熱交換レートは２６２％増加する。第２のシリーズは、異なるボイラー表面、例えば研磨されたステンレススチールのみに対しても、同じ結果が得られることを示している。ここで、特性表面係数は、ＣＳＦ＝０．００８０である。
【０２７４】
物理的には、ステンレススチール上にテフロン（登録商標）が粗く表面コーティングされたものと比較して、研磨されたステンレススチールに対しては、性能は低下する。その理由は、粗くされたテフロン（登録商標）表面は、核沸騰場所に対して、より多数のロケーションを提供するからである。テフロン（登録商標）コーティングにより、表面湿潤特性が増加する。
【０２７５】
周辺温度が高まるにつれ、同じ温度差、および同じ回転ｇに対して、沸騰熱交換係数が増加することが判った。物理的に温度上昇と共に蒸発熱は減少するので、このことが生じる。従って、同じΔＴに対して、沸騰している流体に対しては、より多量の熱エネルギーが伝達される。
【０２７６】
グラフは、高い入力周辺温度でシステムを作動させるためのある利点を示している。これには、入力される汚染液体を加熱しなければならず、エネルギーが必要である。当然ながら、工業プロセスから直接汚染された液体が出る場合、この液体は高温である。より高い温度では、システムは純水および廃棄ブラインと共に運ばれる大きいエンタルピーの一部を回収するのに、熱交換機の外部追加セットを使用できる。
【０２７７】
この方法は、極めて小型の機器でよく、エネルギーコストがあまり重要でない場合の所定の用途に対して有益となる。
【０２７８】
沸騰熱交換レートを高めること：沸騰熱交換係数を増すことを目的とする１つの方法、すなわち設計増強方法は、ボイラーの壁の表面の粗さを大きくすることである。その一例は、沸騰表面に微細な粒状の薄いテフロン（登録商標）のコーティングを設けることである。これによって、通常、非湿潤性表面である材料に多数の核状ソースポイントが設けられる。これによって、蒸気の泡の形成が促進され、この泡は、表面の圧力で誘導される大きいｇ力から膜の層より放射状に即座に上昇する。この大きいｇ力は、大きいｇ場において、微小な蒸気の泡に対し、より大きい浮力を与え、微細な対流を増加する。
【０２７９】
これら誘導された大きな熱交換係数は、１ｇの環境内で静止したシステムでは得られない。文献におけるいくつかのソースは、湿潤性コーティングだけの影響により熱交換係数が３００％まで増加されることを示している。例えばＦ．クレイス著、「熱交換の原理」（インターナショナルテキストブック社、第２版、１９６８年、４４１〜４４５ページ）、およびガイヤーの文献（１〜７９ページ）を参照されたい。
【０２８０】
テフロン（登録商標）コーティングと共に陽極酸化処理されたアルミニウムをボイラーで使用することも、使用可能な別の方法である。まずアルミニウムは、材料の密度の比に比例して接線方向のフープ状応力を低減し、アルミニウムの密度は、ステンレススチールの密度の約３分の１である。従って、接線方向の応力は、耐腐食性アルミニウムに対して８５０ｇにおける７６００ｐｓｉから、約２５２５ｐｓｉまで低下する。
【０２８１】
アルミニウムは、ステンレススチールと比較して極めて高い熱伝達率も有する。アルミニウムは、約１０（ＢＴＵ／（時フィート°Ｆ））の値を有するステンレスと比較して、約１２０（ＢＴＵ／（時フィート°Ｆ））の熱伝達率を有する。沸騰および凝縮による熱伝達係数が、限定機構のうちで小さくなったときに、壁材料における熱伝達率の重要性はより大きくなる。
【０２８２】
個々のボイラーおよび凝縮機のセルを出る際の、蒸気の高速度（毎秒５０〜数百フィート）は、ボイラーの熱交換構造を高める。ボイラーの壁表面に沿って汚染された流体をスウィープすることは、このような熱交換を高めるための機構である。液体をスウィープすると乱れが生じ、この乱れは、蒸気と流体の界面における強制対流による熱交換を補助する。
【０２８３】
ブラインまたは汚染された液体の重力で誘導された高圧注入による強制対流は、ボイラーの熱交換条件を高める。ボイラーの壁表面に沿って移動する流体は、蛇行領域を除き、よって強制対流熱交換特性を大幅に高める。
【０２８４】
このシステムの環状ボイラー通過領域を、軸方向に沿った強制対流増加と共に好ましい蒸気速度を得るように変更できる。種々のアジマスロケーションにおいて、ボイラーのシェルの通過領域と凝縮機のセルの通過領域との双方の間に設置された、長手方向のセグメント分割器も、ボイラー表面における対流機構により、核沸騰を高めることができ、かつ凝縮機の表面における液滴状の凝縮も高めるはずである。
【０２８５】
凝縮熱交換係数、およびその強化：通常、沸騰熱交換係数よりも凝縮熱交換係数のほうが大きい。従って、凝縮機は、ボイラーよりも少ない表面積でよい。ガイヤーによれば、純粋な蒸気の膜凝縮のための代表的な値は、１０００〜５０００（ＢＴＵ／（時平方フィート°Ｆ））であり、純粋な蒸気の液滴状凝縮のためには、これら値は１００００〜５００００（ＢＴＵ／（時平方フィート°Ｆ））である。
【０２８６】
不幸なことに、従来の凝縮用熱交換機は、極めて特殊な条件を除き、凝縮表面の小さい部分でしか、液滴状凝縮を行うことはできない。凝縮物を除去できないことにより、液滴状凝縮は行えない。凝縮物は、表面に膜状の層を形成するが、この膜状の層は、表面を高温蒸気から絶縁する。
【０２８７】
Ｊ．Ｇ．コリエール著「対流沸騰および凝縮」（マックグロウヒル社第２版、１９８１年、３６６〜３６９ページ）は、凝縮熱交換係数を高めるための３つの異なる方法について述べている。
【０２８８】
最初の方法は、凝縮物の表面張力を小さくすることにより、表面の幾何学的形状の変化が凝縮に利用できる面積を増し、すなわち凝縮物のより急速な除去を促進できる。
【０２８９】
次の方法によれば、凝縮表面を処理することにより、膜状の凝縮ではなく、液滴状の凝縮を促進できる。
【０２９０】
表面を非湿潤性にすることにより、表面張力を小さくできる。
【０２９１】
これら３つの方法は、既に使用されている。すなわち、ａ）プロモータとして働く、化学的にコーティングされた表面、ｂ）「テフロン（登録商標）」のようなポリマーでコーティングされた非湿潤性表面、およびｃ）電気メッキされた表面は、非湿潤性を促進するために貴金属のコーティングを使用している。
【０２９２】
最後に、力の場は、表面から効果的に凝縮物を除き、残りの蒸気の高められた熱交換のためのバージンスポットを残すことができる。
【０２９３】
更に、凝縮物の熱交換係数を大きくするためには、蒸気の流れが凝縮機の表面により剪断されてはならない。そうでない場合、表面の膜が発生する可能性がある。例えばＲ．Ｍ．シンガーおよびＧ．Ｗ．プレックショットによる論文「回転中の水平シリンダへの蒸気の凝縮」（１９６３年、熱交換および流体機械工学研究所の議事録、１９６３年６月）を参照されたい。
【０２９４】
蒸気と凝縮機の界面の異なる相対的速度を解消するのを助けるために、凝縮チャンバ内に、長手方向のプラスチックチューブのセパレータを挿入することができる。これらのチューブは、蒸気流をチャンネルに分割し、凝縮流体に接線方向の速度を付与するように働く。このコンパートメントは、ｇ力が凝縮機の表面から即座に凝縮物を除くように、凝縮物に回転角方向のモーメントを付与するのを助ける。
【０２９５】
更に、蒸気と凝縮物との間の相対速度を小さくすると、凝縮物に作用する空気動力学的抗力が最小になる。凝縮物を加速するための剛性部材が存在している場合、凝縮物と凝縮表面との間の内側面の剪断が解消される。この場合、凝縮物は、遠心力が表面張力よりも大きくなっているポイントまで加速される。従って、凝縮物は液滴状に即座に除かれる。シンガーおよびプレックショットによって開発された経験的な関係に基づくと、適度に低い回転速度で５０００〜１５０００（ＢＴＵ／（時平方フィート°Ｆ））の熱交換レートに到達できる。
【０２９６】
凝縮物の表面に水平方向（軸方向）のこすり傷を設けても、凝縮機の熱交換係数を大きくできる。製造中にボイラーのシート材料のロールを広げる際に、更にこすり傷をつけることも可能である。このこすり傷は、凝縮物の液滴に対する接触表面湿潤面積を小さくする。従って、液滴は、高いｇの回転中に凝縮機の表面で互いに付着しなくなる。
【０２９７】
この技術は、凝縮膜での表面張力の発生を減少させ、よってｇ力は、即座に表面張力に打ち勝つ。従って、この方法は、極めて高度の液滴状の凝縮を促進でき、固定式システムが達成できなかった、驚くほど高い凝縮機の熱交換係数を生じさせる。
【０２９８】
前に述べたように、ボイラーのシェルの通路と凝縮機のシェルの通路の双方の間の長手方向のセグメント分割器は、液滴状の凝縮機を促進できる。これら分割器は、流体凝縮物に対して連続した回転角方向のモーメントを与える。このモーメントは、凝縮物の液滴が表面張力に打ち勝ち、凝縮機の表面から凝縮物が投げ出されるまで、凝縮物の液滴を加速する。セグメント分割器は、シェルアセンブリ全体に対する構造上の剛性も高める。
【０２９９】
これらセグメント分割器は、可撓性プラスチックチューブで製造できる。このチューブの各端部は、プラグで塞ぎ、ゴム製のポリスマン嵌合部を通る皮下注射針により密なガスまたは軽い流体で満たされる。これら分割器は、シェルの間の圧力膨張により、更に径方向のｇ力が、これらシェルを隣接する外側シェルに対して保持しているので、分割器はアジマス方向に移動しない。
【０３００】
ボイラーシェルの応力、およびひずみ−概観：高速回転は、シェルの自重から、およびシェルに対する回転流体の重量からのシェル応力を誘導する。計算によれば、代表的な応力値は１０００ｇまででも、極めて小さい（７．５ｋｓｉ〜１２ｋｓｉ）であることが判った。
【０３０１】
図２５および図２６の要約グラフは、液体の膜厚が異なる場合の流体の重量からシェルに対して加えられる回転圧力変化をプロットしている。これらの圧力は、シェルに対する全応力を計算するのに使用される。
【０３０２】
出願人は高ｇ回転レートでは、膜厚は、おおむね０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）より小となると予想している。膜厚は、回転速度、流体の注入速度、および沸騰チャンバの端部を閉じるボイラーのダムの高さに応じて決まる。
【０３０３】
当然ながら、回転ｇ力は流体の膜を薄くし、この膜が最も薄い値に維持されるときに、恐らく熱交換レートが最大となる。当然ながら、ボイラーの表面を横断する全対流が生じなければならない。脱塩用途に対しては、廃棄ブラインの出力の増加は問題ではない。
【０３０４】
従って、流体注入速度は、所定の圧縮機の動力条件に対して純水出力を最大にしなければならない。膜形成が少なすぎると、ドライスポットが生じ得るので、純水出力が小さくなることがある。膜形成が多すぎる場合は、熱交換レートを小さくし、純水出力流量を低下させ得る。
【０３０５】
マイクロプロセッサを使ったフィードバック制御ループは、これらの条件を自動的に調節できる。適当な設計を行うことにより、純水出力を最大にするよう、所定の回転ｇ負荷における流体注入速度を制御ループを測定できるようになる。
【０３０６】
図２５および図２６は、１．５ｍ（５フィート）のシェルの直径に対する外側ボイラーと凝縮機のリングに対する計算されたひずみおよび回転ｇ値を示すものである。
【０３０７】
これらのグラフは、０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）厚のステンレススチールシェルに対し、高回転速度に起因する外側シェル内の誘導された接線方向の応力（内側シェルの応力はより低い）は、代表的な最大許容応力と比較して無視できるほど小さくなることを示している。
【０３０８】
図２６は、シェルが支持する液体の膜（１．８ｍｍ（０．０７インチ）厚であると考えられ、この値は、予想地よりもかなり厚い）の追加的負荷でも（シェルの内側表面で生じる）接線方向の最大応力は容易に設計限度内となることを示している。
【０３０９】
外側の１．５ｍ（５フィート）の直径において、最大で約２ミルしか成長しない場合でも、シェルの径方向の成長は極めて小さい。図２６におけるプロット例を参照されたい。
【０３１０】
出願人は、仮想的な直径１．５ｍ（５フィート）×長さ１．８ｍ（６フィート）のシステムに対する異なる間隔での種々の数のシェルに対する必要な総面積を調査した。計算により、これら構造に対するボイラーおよび凝縮機のシェルの予想重量が決定した。
【０３１１】
図示されているこれら重量のチャートは、１つのモジュールシステムにおけるシェルの総重量の半分を示している。実際のボイラー／凝縮機チャンバの構造では、各ボイラーの間の追加的分離シェルが必要である。従って、すべてのシェルの総重量は、重量チャートに示された値の２倍となる。従って、重量チャートは、ボイラーシェルのみに対する総和重量を示している。
【０３１２】
より高いｇ回転速度から生じる予想される増加した熱交換値では、全表面積および重量条件は、最初に予想された値よりもかなり小さくなる。同じ水製造出力流に対して、必要なシェルの総数もかなり減少する。これによって、製造コストが低下する。
【０３１３】
種々のシェル分離距離に対する一体化されたボイラーの表面積および重量が、どの値になっているかを示すために一連の計算を実行した。計算された値のプロットを示す図２７を参照されたい。
【０３１４】
内側ラジアルシェルは、特定の直径を有し、追加シェルは可能な実証モジュールに対して提案されるように、最大１．５ｍ（５フィート）の直径までの表示分離距離で内側シェルを囲んでいると見なす。これら一連のプロット上のぎざぎざのラインは、この半径より下の累積表面積が、この半径より上の累積表面積に等しくなる場所の（別々に計算された）有効半径を示している。
【０３１５】
これらの曲線は、固定された熱交換係数を計算でき、すべてのシェルで適用される概略的直径の目安を与えている。熱交換係数は、ｇ値と共に増加するので、有効直径で計算された値はシステム全体に対し、保守的な結果を与える。
【０３１６】
他のプロセスおよび機器よりも、優れている本システムに関する特性および属性は多数あり、以下、これについて要約する。
【０３１７】
（表）
システムの特性　　現システム　　　　標準蒸留法　　　　　逆浸透圧法
資本収集コスト　　　　低　　　　　　　　高　　　　　　　　　中
保守コスト　　　　　　低　　　　　　　　中　　　　　　　　　高
稼働コスト　　　　　　低　　　　　　　　中　　　　　　　　　高
機器サイズの条件　　　低　　　　現システムの２５倍　　現システムの２倍
機器サイズ　　　　　　低　　　　　　　　高　　　　　　　　　中
エネルギー使用量　　　低　　　　　　　　高　　　　　　　　　中
自己クリーニング　　自動的　　　　　　　中　　　　 　　　　困難
大総溶解固体物の　　 容易　　　　　　　適度　　　　　　　　困難
扱い
バクテリア、金　　発熱物質　　　　　　 不良　　　　　　　　困難
属、イオン　　　　　 なし
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水再使用システムの一実施例の側断面図である。
【図２】本発明の水再使用システムの一実施例の切り欠き斜視図である。
【図３】本発明の水再使用システムの一実施例の切り欠き斜視図である。
【図４】本発明の水再使用システムの一実施例の切り欠き斜視図である。
【図５】本発明の水再使用システムの一実施例の凝縮機の入口側を示す、回転するボイラー／凝縮機の斜視図である。
【図６】図１の６−６平面に沿った回転するボイラー／凝縮機の断面図であり、前景における純水収集チューブおよび背景における廃棄物入力チューブを示し、この図にはファン／圧縮機は示されていない。
【図７】図１の６−６平面に沿った回転するボイラー／凝縮機の断面図であり、ファンおよびハウジングが示されている。
【図８】図１の６−６平面に沿った回転するボイラー／凝縮機の断面図であり、ファンおよびハウジングだけでなく、真空チャンバのハウジングも示されている。
【図９】本発明の一実施例の、処理された廃棄物用端部の詳細な断面図である。
【図１０】本発明の一実施例のブラインまたは下水入力端部の詳細な断面図であり、回転するボイラーを示している。
【図１１】システムが水平モードで作動する、本発明の水再使用システムの一実施例の側面図である。
【図１２】本発明の水再使用システムの一実施例の別の側面図であり、システムはスタンド上に垂直に取り付けられている。
【図１３】３０個の、かかる垂直に取り付けられたシステムのアレイの斜視図である。
【図１４】共通するボイラー／凝縮機の壁を示す、脱塩または汚染物除去のために使用される本発明の方法の略ブロック図である。
【図１５】本発明の別の実施例のためのシェルの一部の斜視図である。
【図１６】図１５の一部の詳細図である。
【図１７】本発明のためのシェルを形成するのに使用できるテンプレートである。
【図１８】固定された出口ファンネル内に外側に放射状にスプレーされる、廃棄物および純粋な出力流を明瞭に示した、本発明の別の実施例の側面図である。
【図１９】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２０】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２１】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２２】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２３】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２４】異なる回転ｇおよびΔＴに対して予想される沸騰熱交換係数（ＢＴＵ／（時°Ｆ平方フィート））を示す三次元表面のグラフであり、各表面のグラフはチャートに記述されている異なるシェル材料コーティングおよび異なる周辺温度条件の１つに対応している。
【図２５】流体の負荷がなく、直径が５フィート（１．５ｍ）およびステンレススチールの肉厚が０．０１５インチ（０．３８ｍｍ）と仮定した、本発明の一実施例の外側シェルにかかる種々の回転スピードにおける予想される接線方向の応力（単位ｐｓｉ）のグラフである。
【図２６】図２５に類似したグラフであるが、予想される接線方向の応力は肉厚が０．０７インチ（１．８ｍｍ）の場合に負荷がかけられる同じサイズのシェルの場合のものである。
【図２７】所定のシェル分離距離、内側シェルの半径、シェルの肉厚およびシェルの長さを仮定した、外側シェルの半径に応じてどのように累積的ボイラー表面が変化するかを示すグラフである。
【図２８】異なるボイラー圧力および異なるボイラー対凝縮機の圧力比に対する水の出力ポンドあたりのエネルギー消費量を示すグラフである。
【図２９】異なるボイラー温度および変化するボイラー対凝縮機の温度差に対する水の出力ポンドあたりのエネルギー消費量を示す一連のグラフである。
【図３０】組み合わされた異なるモータ圧縮機の効率に基づく、異なるボイラー対凝縮機のΔＴ値に対する水の出力ポンドあたりのエネルギー消費量を示す一連のグラフである。
【図３１】塩分モード比の変化に起因する海水の沸点上昇対飽和海水温度の関係を示すグラフである。
【図３２】飽和した海水温度の変化に起因する海水の沸点上昇対塩分濃度比の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０　　水再使用システム
１２　　ボイラー
１４　　凝縮機
１６　　ブライン
１８　　壁
２０　　圧縮機
２６　　液滴
３０　　再使用システム
３２　　中間シェル
３４　　内側シェル
３６　　凝縮チャンバ
４０　　外側シェル
５０　　内側ハウジング
５２、５４　　ハウジング半分割体
５６、５８　　環状部
８０　　真空チャンバ
８２　　壁
８４、８６　　エンドキャップ
８８　　中心円筒形部分
９０　　切頭円錐形部分
９２　　円筒形部分
９６、９７　　ハブ
９８、１００　　補強リブ
１０２、１０４　　環状リング
１０６　　ボルト
１１０、１１１　　スタンド
１２０、１２２　　中空シャフト
１３２　　回転軸線
１２４、１２６　　フランジ
１２８、１３０　　リセス
１４０　　ハブ
１４２　　端部
１４６、１５２　　ベアリング
１４８　　ハブ
１６０　　モータ
１６２、１６４　　プーリー
１６６　　ベルト
１７０　　内側チューブ
１７２　　上流側端部
１７４　　下流側端部
１８０、１８２、１８４　　ブランチ
１８６、１８８、１９０、１９２　　インジェクタ
２００、２０２、２０４、２０６　　環状壁
２２０　　圧縮ファン
２２２　　モータ
２２４　　シャフト
２２６　　ダクト
２４０、２４２、２４４　　壁
２４６、２４８、２５０　　出口チューブ
２５６、２５８、２６０　　収集チューブ
２６２　　壁
２６８　　収集チャンバ
２７０　　シェル
２８０　　トラフ
２８６　　ディッパーチューブ
２８８　　開端部
２９０　　取り付け具
２９２　　中心開口部
３００　　トラフ
３０２　　固定ディッパーチューブ
３０４　　開端部
３０６　　取り付け具
３０８　　環状溝
３１０　　ボア
３１２　　中心
３２０　　ノズル
４００　　シェル
４０２、４１０　　板
４０４、４０６、４１２、４１４　　サイドウェブ
４０８、４１６　　主要壁
４２０　　シート
４２２、４２４　　エッジ
４２６　　アングル
６３６　　チャンバ
６４０　　壁
６７０　　入口
６７６　　ボウル
６７８　　チャンネル
６８６、６８８　　インジェクタ
６９０　　ファン
６９２　　収集機
６９４　　環状リング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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