(57)【要約】【課題】従来の蒸発法による淡水化装置と比べ、高速かつ大量に淡水を生成することができる淡水化装置の提供。【解決手段】原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を生成する淡水化装置であって、前記原水を貯留する原水タンク、および前記原水を加熱するためのヒータを有し、前記原水を加熱して加圧された水蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記水蒸気を乱流として挿通させる導管部と、前記導管部の出口から噴出した前記水蒸気を冷却して液化し、淡水を得る凝縮部とから構成され、前記水蒸気が前記導管部の出口から噴出するまで、前記水蒸気の前記乱流の状態を保持することを特徴とする淡水化装置。【選択図】図１
2012228632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を生成する淡水化装置であって、
前記原水を貯留する原水タンク、および前記原水を加熱するためのヒータを有し、前記原水を加熱して加圧された水蒸気を発生させる蒸気発生部と、
前記水蒸気を乱流として挿通させる導管部と、
前記導管部の出口から噴出した前記水蒸気を冷却して液化し、淡水を得る凝縮部とから構成され、
前記水蒸気が前記導管部の出口から噴出するまで、前記水蒸気の前記乱流の状態を保持することを特徴とする淡水化装置。
【請求項２】
下記式（Ｉ）が成立するように用いることができる請求項１に記載の淡水化装置。
【数１】
2012228632.tif 000005
η：動的粘度（ｍ2／ｓｅｃ）
Ｐ：Ｐ1とＰ2との平均圧力（Ｐａ）
Ｐ1：入口圧力（Ｐａ）
Ｐ2：出口圧力（Ｐａ）
Ｌ：管長（ｍ）
ｄ：管の直径（ｍ）
ρ：密度（ｋｇ/ｍ3）
【請求項３】
前記ヒータは、太陽光により加熱するヒータであることを特徴とする請求項１または２に記載の淡水化装置。
【請求項４】
前記ヒータは、電熱ヒータであることを特徴とする請求項１または２に記載の淡水化装置。
【請求項５】
前記電熱ヒータは太陽電池により発電された電力を用いることを特徴とする請求項４に記載の淡水化装置。
【請求項６】
さらに、前記凝縮部で液化された淡水を貯留する淡水タンクを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化する装置として、海水に熱を加えることで水蒸気を生成し、当該水蒸気を凝縮器によって液化することで蒸留水を得る装置がある。
また、熱を得るために太陽熱および太陽光発電などの太陽エネルギーを用いることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第１９９７／０４８６４６号パンフレット
【特許文献２】特開２００８−２１２８８１号公報
【特許文献３】特開２００１−０７０９２９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、従来の蒸発法による淡水化装置では、蒸発器と凝縮器とが単に配管で接続されるのみであり、水蒸気は当該配管内を層流として流れていくため、凝縮器に送られる水蒸気量は限られてしまう。このため、凝縮される水、つまり淡水の生成速度が遅いという問題があった。また、淡水化装置における水蒸気の流れについて、これまでに真空工学に基づいて考察されたことはなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は淡水の生成速度を大幅に増加させるため、凝縮器に送る水蒸気を乱流とすることによって、淡水の生成効率が向上することを見出し、本発明を完成させた。
本発明は以下の（１）〜（６）である。
（１）原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を生成する淡水化装置であって、
前記原水を貯留する原水タンク、および前記原水を加熱するためのヒータを有し、前記原水を加熱して加圧された水蒸気を発生させる蒸気発生部と、
前記水蒸気を乱流として挿通させる導管部と、
前記導管部の出口から噴出した前記水蒸気を冷却して液化し、淡水を得る凝縮部とから構成され、
前記水蒸気が前記導管部の出口から噴出するまで、前記水蒸気の前記乱流の状態を保持することを特徴とする淡水化装置。
（２）下記式（Ｉ）が成立するように用いることができる上記（１）に記載の淡水化装置。
【数１】
2012228632.tif 000003
η：動的粘度（ｍ2／ｓｅｃ）
Ｐ：Ｐ1とＰ2との平均圧力（Ｐａ）：Ｐ＝（Ｐ1＋Ｐ2）／２
Ｐ1：入口圧力（Ｐａ）
Ｐ2：出口圧力（Ｐａ）
Ｌ：管長（ｍ）
ｄ：管の直径（ｍ）
ρ：密度（ｋｇ/ｍ3）
（３）前記ヒータは、太陽光により加熱するヒータであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の淡水化装置。
（４）前記ヒータは、電熱ヒータであることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の淡水化装置。
（５）前記電熱ヒータは太陽電池により発電された電力を用いることを特徴とする上記（４）に記載の淡水化装置。
（６）さらに、前記凝縮部で液化された淡水を貯留する淡水タンクを有することを特徴とする上記（１）〜（５）のいずれかに記載の淡水化装置。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る淡水化装置によれば、従来の蒸発法による淡水化装置と比べ、高速かつ大量に淡水を生成することができる。また、原水が循環する配管が無く構造を単純化することができるため製造コストを抑制することができ、さらに、塩分の析出によって配管が詰まることもないため、メンテナンス性を向上させることができる。他にも、太陽エネルギーをヒータの動力とすると、電力供給を期待することができない場所でも動作させて淡水を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の淡水化装置の好適態様を説明するための概略図である。
【図２】本発明の淡水化装置が備える導管部中の水蒸気の流れを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の淡水化装置について説明する。
本発明の淡水化装置は、原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を生成する淡水化装置であって、前記原水を貯留する原水タンク、および前記原水を加熱するためのヒータを有し、前記原水を加熱して加圧された水蒸気を発生させる蒸気発生部と、前記水蒸気を乱流として挿通させる導管部と、前記導管部から出口から噴出した前記水蒸気を冷却して液化し、淡水を得る凝縮部とから構成され、前記水蒸気が前記導管部の出口から噴出するまで、前記水蒸気の前記乱流の状態を保持することを特徴とする淡水化装置である。
【０００９】
水の浄化の本質とは、エントロピーが高い水におけるエントロピーを捨てながら、エントロピーの低い水を作ることである。
汚水は水分子以外に泥等の物理的不純物や、塩、薬品などの化学的不純物を含み、これらがエントロピーを高くしている。これらを除きながらエントロピーを下げる作業が浄化である。最終的には、水分子と低種類の分子の混合物から水分子を取り出す過程となる。
本発明では、水分子の蒸発と凝縮によって、これを達成する。
【００１０】
以下に本発明の淡水化装置における好適実施態様について図を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１１】
図１に、本発明の淡水化装置の好適実施態様である淡水化装置１０を示す。
淡水化装置１０は、蒸気発生部１６、導管部１８、凝縮部２０、および淡水タンク２４から構成される。また、蒸気発生部１６は、原水タンク１２と、ヒータ１４とを有する。さらに、導管部１８と凝縮部２０との接続部には断熱部２２が設けられ、蒸気発生部１６および導管部１８は断熱材２３によって覆われており断熱されている。
【００１２】
＜蒸気発生部＞
原水タンク１２は原水３０を貯留する。なお、本発明において原水とは、海水や、そのままでは飲用に適さない湖沼等の水を意味する。
また、原水タンク１２は、後述するヒータ１４によって原水３０が加熱されて発生した水蒸気を、所定の圧力を保ちながら、その上部空間３２に溜める。
【００１３】
ヒータ１４は、原水タンク１２の下側面部に設けられ、貯留された原水３０を加熱する。ヒータ１４は、例えば、太陽光の熱線（赤外線）により媒体を加熱し、当該媒体を循環させることで熱を取り出す太陽熱ヒータでもよいし、図示しない太陽電池により発電された電力を用いて加熱する電熱ヒータでもよい。電熱ヒータを用いる場合は、太陽電池により発電される電力が不足する場合には、他の電源を用いてもよい。なお、ヒータを用いずに、原水タンク１２の下部に炉を設けて燃料を燃焼させて加熱してもよい。
【００１４】
＜導管部＞
導管部１８は、原水タンク１２内で生成された水蒸気を乱流の状態を保ちながら、その内部を通過させる。導管部１８の内径および長さは、導管部１８の入口の圧力（Ｐ1）および出口の圧力（Ｐ2）ならびに水蒸気の動的粘度（η）および密度（ρ）に基づき、乱流を保つことができる内径（ｄ）および長さ（Ｌ）とする。例えば、原水タンク１２内の上部空間３２内の水蒸気の圧力（単位はＰａ）が０．５ＭＰａのとき、内径（ｄ）＝０．００３ｍ、長さ（Ｌ）＝０．３８ｍとすることで、導管部１８内で水蒸気を乱流として保つことができる。
【００１５】
本発明では、次の式（Ｉ）が成立するように導管部の長さ（Ｌ）（単位はｍ）や断面直径（ｄ）（単位はｍ）等を調整することで、導管部内の水蒸気を乱流に保つことが好ましい。
【００１６】
【数２】
2012228632.tif 000004
【００１７】
式（Ｉ）において、ηは導管部内における水蒸気の動的粘度（単位はｍ2／ｓｅｃ）を意味する。
また、Ｐ1およびＰ2は、導管部の入口および出口における水蒸気の圧力（単位はＰａ）を意味する。
また、Ｐ＝（Ｐ1＋Ｐ2）／２を意味する。
また、ρは、導管部内における水蒸気の密度（単位はｋｇ／ｍ3）を意味する。
【００１８】
＜凝縮部＞
凝縮部２０は、導管部１８から噴出した水蒸気を冷却して液化するもので、導管部１８よりも十分に内径の大きい円筒状のものである。また、凝縮部２０の導管部１８が接続されている側と反対側の端部付近には、生成された淡水を取り出すための配管が接続され、後述する淡水タンク２４に淡水３４が送出される。凝縮部２０の周囲（円筒部（側面））には、凝縮部２０の内壁を冷却するために、図示しない冷却部が設けられている。冷却部における冷却方法には、水冷式、空冷式、油冷式等の各種の冷却方式を用いることができる。
【００１９】
断熱部２２は、導管部１８と凝縮部２０との接続部に設けられ、導管部１８の熱が凝縮部２０へと伝導することを防止する。断熱部２２は、例えば、ウレタンフォーム等を用いることができる。
断熱材２３は、原水タンク１２および導管部１８を覆い、水蒸気が凝縮部２０に到達するまで熱のロスがないように断熱する。断熱材２３は、断熱部２２と同様に、例えば、ウレタンフォーム等を用いることができる。
【００２０】
＜淡水タンク＞
淡水タンク２４は、凝縮部２０から送出された淡水を貯留する。
本発明の淡水化装置は、淡水タンクを有するものであることが好ましい。
【００２１】
次に、図１を参照しながら本発明に係る淡水化装置の動作を説明する。
まず、原水タンク１２に貯留された原水３０をヒータ１４で加熱する。加熱された原水３０は、その一部が蒸発して水蒸気となり、原水タンク１２の上部空間３２に貯留される。原水タンク１２は与圧されており、上部空間３２の水蒸気の温度は、例えば、１５５℃程度となり、水蒸気の圧力は約０．５ＭＰａ程度となる。
【００２２】
上部空間３２の水蒸気の圧力が約０．５ＭＰａに達すると、原水タンク１２と導管部１８との間に設けられた図示しないバルブが開放され、水蒸気が導管部１８へと送出される。このとき、ヒータ１４は、上部空間３２の圧力等が上述の式（Ｉ）の条件を維持できるように出力が調整される。
【００２３】
導管部１８では、送出される水蒸気が乱流となり、図２に示す模式図の態様であると考える。つまり、水分子の導管部１８における軸方向の速度Ｖｚの分布は、内壁に接する僅かな部分（鞘ともいう）を除き、導管部１８の径方向において一定と見做すことができる。すなわち、導管部１８内を通過する水蒸気は、極めて良い近似で一次元流となると考える。
【００２４】
原水タンク１２から送出される水蒸気は、導管部１８を通過して凝縮部２０内に噴出される。凝縮部２０内に噴出された水蒸気は、図１中の“Ａ”の領域で圧力が下がり、乱流から層流へと変化し、冷却された凝縮部２０の内壁に触れることで凝縮して液化し、淡水が生成される。
【００２５】
＜淡水タンク＞
生成された淡水は、配管を通り淡水タンク２４へ淡水３４として貯留される。
【００２６】
上記の実施形態では海水等の原水を蒸発させた後、凝縮させることで淡水を生成する淡水化装置について説明したが、水の代わりに他の液体であっても適用可能である。本発明は、例えば、アルコール、アセトン、およびヘキサン等の有機溶媒等にも用いることができ、不純物を含んだ使用済みの液体（原液）から不純物を取り除いて純度を高めることで、再利用可能な精製液を得る液体再生装置または蒸留装置とすることができる。
その他にも、沸点の異なる混合液を分留すること等にも用いることができる。例えば、アルコール水溶液からのアルコール分留することへも適用可能である。
これらの気体処理においてはクラスター（cluster）状態の分子群を利用して、輸送効率を飛躍的に増加する事が可能となる。
【符号の説明】
【００２７】
１０  淡水化装置
１２  原水タンク
１４  ヒータ
１６  蒸気発生部
１８  導管部
２０  凝縮部
２２  断熱部
２４  淡水タンク
３０  原水
３２  上部空間
３４  淡水
【図１】
2012228632.tif 000006
【図２】
2012228632.tif 000007