(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、
複数の蒸発器を備え、原水を前記熱源からの熱で加熱することにより同原水から水蒸気を発生させる蒸発装置と、
前記蒸発装置内で加熱された原水から発生した水蒸気を当該蒸発装置の最後段の蒸発器から受け入れ凝縮させて蒸留水とするための凝縮器と、
前記蒸発装置の蒸発器内の空間を大気圧以下に減圧する真空装置と、
を有し、
前記蒸発器は、その最前段蒸発器が外部からの原水を受け入れるようになされ、各蒸発器は所定量を超える原水を次段の蒸発器に流下するように接続されており、且つ、前記最前段の蒸発器の熱交換器には前記熱源からの熱が供給され、同最前段の熱交換器において原水から発生した水蒸気は次段の蒸発器の熱交換器に加熱源として供給され、該供給された水蒸気が当該次段の蒸発器において原水との熱交換によって凝縮されて発生した凝縮水と、同熱交換によって原水から発生した水蒸気とを、更に次段の蒸発器の熱交換器に加熱源として供給し、以下の蒸発器において同様の加熱源供給を行うようにされており、最後段の蒸発器で発生した水蒸気は前記凝縮器に供給されて凝縮されて蒸留水とされ、同最後段の蒸発器から排出される蒸留水とともに淡水として取り出され、
前記真空装置が、各蒸発器の蒸発空間、該蒸発空間に連通する凝縮空間、及び、蒸留水貯蔵空間を減圧するようにされており、
前記最後段の蒸発器から排出される濃縮原水を、前記凝縮器の冷却水として使用するようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の淡水化装置において、
前記熱源は、太陽エネルギーにより熱媒を加熱する太陽熱集熱器とされ、該太陽熱集熱器の熱媒蒸気を加熱源として前記最前段の蒸発器の熱交換器に供給することを特徴とする淡水化装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の淡水化装置において、
前記蒸発器は、原水を受け入れるための貯留室を有しており、最前段の蒸発器に供給される原水は、少なくとも一部の蒸発器の貯留室内を通る原水予熱管路を通された後に、前記最前段の蒸発器に供給されるようになされていることを特徴とする淡水化装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の淡水化装置において、
前記蒸発装置は、最前段の蒸発器の前段に配置された脱気室を有し、該脱気室は供給される原水を収容し、前記熱源からの熱によって加熱して当該原水中に含まれるガスを脱気し、該脱気した原水を該最前段の蒸発器に供給することを特徴とする淡水化装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに１項に記載の淡水化装置において、
１つの蒸発器において加熱源として使用され熱交換によって凝縮され発生した前記凝縮水を、次段の蒸発器へ加熱源として供給するための凝縮水通路を有し、該通路には絞りが設けられ、該絞りの前後で差圧が生じるようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項６】
請求項４に記載の淡水化装置において、
前記蒸発装置は、多重効用関係に接続されており、
前記脱気室を大気圧以下に減圧し、該脱気室での原水加熱により発生した不凝縮ガスを排出する真空装置、
を具備することを特徴とする淡水化装置。
【請求項７】
請求項６に記載の淡水化装置において、
前記真空装置は、前記凝縮器の凝縮空間、該凝縮空間に連通する前記蒸発器の蒸発空間を減圧するようになされており、この減圧と、前記脱気室の減圧とを切り換えて行うようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の淡水化装置において、
前記脱気室は、前記凝縮器の水蒸気入口側を経由して前記真空装置に接続されていることを特徴とする淡水化装置。
【請求項９】
請求項６，７又は８に記載の淡水化装置において、
前記蒸発器は上下に重ねられており、
前記脱気室は、最上段の蒸発器の上に設定されており、
脱気室及び蒸発器は原水を貯留する貯留槽を有しており、
各貯留槽内に貯留された原水は、同貯留槽から溢水することにより、その下段にある蒸発器の貯留槽へ流下するようになされており、
脱気室の貯留槽から溢水した原水は、Ｕ字管部分を有する管路を通して、最上段の蒸発器の貯留槽に流下されるようになされており、
該Ｕ字管部分は、最上段の蒸発器における最高温度での飽和蒸気圧力と、前記真空装置によって前記脱気室にかけられる最高の減圧圧力との差圧に相当するヘッドを有するようにされていることを特徴とする淡水化装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の淡水化装置において、
前記熱源は、太陽エネルギーにより熱媒を加熱する太陽熱集熱器であり、該太陽熱集熱器からの熱媒蒸気を加熱源として、前記蒸発装置の脱気室と最上段の蒸発器の熱交換器に供給し、凝縮した凝縮熱媒を該太陽熱集熱器に戻すことを特徴とする淡水化装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の淡水化装置において、
前記熱源は、太陽熱を集熱して熱媒を加熱し熱媒の蒸気を発生させる集熱パネルを有する太陽熱集熱器であり、
前記蒸発装置は、前記熱媒と原水との問で熱交換を行うための熱交換器を有し、
前記太陽熱集熱器で蒸気とされた熱媒を前記蒸発器の熱交換器へ供給する熱媒供給管路、及び、熱交換器での原水との熱交換により凝縮した熱媒を前記太陽熱集熱器へ帰還させる熱媒帰還管路を有し、当該熱媒の前記太陽熱集熱器での蒸発、及び、前記熱交換器での凝縮の繰り返しによるサーモサイフォン方式で該熱媒の循環を行う熱媒循環回路であって、前記熱媒帰還管路内に設けられ、同管路内の凝縮熱媒を前記太陽熱集熱器に向けて送給するためのポンプを有する熱媒循環回路を、
更に有することを特徴とする淡水化装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の淡水化装置において、
前記熱媒帰還管路内における前記ポンプの上流側に凝縮熱媒を収容するバッファタンクを設けたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項１３】
請求項１１若しくは１２に記載の淡水化装置において、
前記ポンプは少なくとも前記太陽熱集熱器が最大日射時に蒸発する熱媒量を該太陽熱集熱器に供給できる容量を有することを特徴とする淡水化装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の淡水化装置において、
蒸発装置内で水蒸気を発生して濃縮された原水を前記凝縮器に導入して冷却水として使用するための冷却装置、
を備えることを特徴とする淡水化装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載の淡水化装置において、
前記冷却装置が、送風ファンを有し、該送風ファンによって前記濃縮原水を冷却して、前記凝縮器の冷却水として使用するようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の淡水化装置において、
前記蒸発装置が熱交換器を有し、
前記熱源供給装置が太陽エネルギーにより熱媒を加熱する太陽熱集熱器とされ、
前記熱交換器は加熱された熱媒蒸気を受け入れて、原水との問で熱交換を行うようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【請求項１７】
請求項１４，１５又は１６に記載の淡水化装置において、
前記蒸発装置は多段に重ねられた複数の蒸発器を備え、
各蒸発器は前記熱交換器を有し、
これら蒸発器が各蒸発器において発生した原水からの水蒸気を下段の蒸発器に加熱源として送るようになされた多重効用関係に接続されており、
前記冷却装置は、最下段の蒸発器から排出された濃縮原水を前記凝縮器に導入して冷却水として使用するようにしたことを特徴とする淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、太陽エネルギーやその他の熱源を利用して海水，塩分を含んだ地下水（かん水）、産業廃水等から淡水（蒸留水）を得るための淡水化装置及び方法に関する。
背景技術
近年は、生活用水、工業用水，灌漑用水など、淡水の使用は増大し、水資源の保全、有効利用が益々重要な課題となってきている。
海水を淡水化する装置は、従来から知られており、中東などでは、大規模な淡水化プラントが設置されてきている。
しかし、淡水化装置は、基本的には、海水などの原水を加熱することにより水蒸気となし、これを凝縮して淡水を生成するのを基本的構成とするものであり、原水の加熱には、これまでは化石燃料や電力などのエネルギーを大量に消費して行うのが一般的であった。
これに対して、近年は、エネルギー消費ができるだけ少なく、しかも、効率良く淡水化のできる装置が望まれ、その開発が行われてきている。例えば、太陽熱を利用したものや、工業用タービンからの廃熱を利用するものなどが開発されてきており、その実用化も計られているが、それらのより一層の改善が望まれている。
本発明は、このような点に関しなされたものであり、より効率良く淡水化することのできる装置を提供することを目的とするものである。
発明の開示
すなわち、本発明は、熱源と、複数の蒸発器を備え、原水を前記熱源からの熱で加熱することにより同原水から水蒸気を発生させる蒸発装置と、蒸発装置内で加熱された原水から発生した水蒸気を当該蒸発装置の最後段の蒸発器から受け入れ凝縮させて蒸留水とするための凝縮器と、蒸発装置の蒸発器内の空間を大気圧以下に減圧する真空装置とを有し、蒸発器は、その最前段の蒸発器が外部からの原水を受け入れるようになされ、各蒸発器は所定量を超える原水を次段の蒸発器に流下するように接続されており、且つ、最前段の蒸発器の熱交換器には熱源からの熱が供給され、同最前段の熱交換器において原水から発生した水蒸気は次段の蒸発器の熱交換器に加熱源として供給され、該供給された水蒸気が当該次段の蒸発器において原水との熱交換によって凝縮されて発生した凝縮水と、同熱交換によって原水から発生した水蒸気とを、更に次段の蒸発器の熱交換器に加熱源として供給し、以下の蒸発器において同様の加熱源供給を行うようにされており、最後段の蒸発器で発生した水蒸気は前記凝縮器に供給されて凝縮されて蒸留水とされ、同最後段の蒸発器から排出される蒸留水とともに淡水として取り出されるようにしたことを特徴とする淡水化装置を提供する。この装置では、前段の蒸発器で発生した水蒸気と凝縮水とが次段の熱交換器での加熱源として用いられるので、当該淡水化装置内での熱を有効に利用することができる。
具体的には、真空装置は、各蒸発器の蒸発空間、該蒸発空間に連通する凝縮空間、及び、蒸留水貯蔵空間を減圧するようにし、また、最後段の蒸発器から排出される濃縮原水を、凝縮器の冷却水として使用するができる。また、蒸発器は、原水を受け入れるための貯留室を有し、最前段の蒸発器に供給される原水は、少なくとも一部の蒸発器の貯留室内を通る原水予熱管路を通された後に、最前段の蒸発器に供給されるようにすることもできる。更に、蒸発装置は、最前段の蒸発器の前段に配置された脱気室を有し、該脱気室は供給される原水を収容し、熱源からの熱によって加熱して当該原水中に含まれるガスを脱気し、該脱気した原水を該最前段の蒸発器に供給するようにすることができる。このようにすることにより、より効率よく淡水化作用を行うことができる。
また、１つの蒸発器において加熱源として使用され熱交換によって凝縮され発生した前記凝縮水を、次段の蒸発器へ加熱源として供給するための凝縮水通路を有し、該通路には絞りが設けられ、該絞りの前後で差圧が生じるようにすることができる。このようにすることにより、原水から脱気された不凝縮ガスが通路内に溜まらずに流下し、外部へ排出されやすくすることができ、これによっても原水と加熱源との間の熱交換をより適正に行うことを可能として効率的な淡水化作用を行うことができるようになる。
更に、本発明は、熱源と、原水を収容する脱気室，及び、該脱気室に続いて多段に配置した、原水を収容する複数の蒸発器を具備し、前記熱源から供給される熱により原水の加熱蒸発を行う蒸発装置であって、脱気室に原水が導入され、導入された原水が順次後段の蒸発器に送られるようになされており、且つ、各蒸発器において発生した原水からの水蒸気が後段の蒸発器の加熱源として送られるようになされた多重効用関係に接続されてなる蒸発装置と、該蒸発装置における最後段の蒸発器で発生された水蒸気を受け入れて凝縮し淡水を生成する凝縮器と、脱気室を大気圧以下に減圧し、該脱気室での原水加熱により発生した不凝縮ガスを排出する真空装置とを具備することを特徴とする淡水化装置を提供する。蒸発器に供給される原水が、脱気室で予め脱気されることにより、淡水化装置内に不凝縮ガスが滞留するのを低減し、それによって原水と加熱源との熱伝達をよくし、淡水化の効率を上げることができる。
この装置においては、真空装置によって、凝縮器の凝縮空間、該蒸発空間に連通する凝縮空間、及び、蒸発器の蒸発空間を減圧するようにし、この減圧と、上記脱気室の減圧とを切り換えて行うようにすることが好ましい。この切換は、減圧する空間内部の圧力に大きな差があり、同時に減圧することは効率的ではないからである。
また、脱気室と凝縮器の水蒸気入口側とは絞りを経由して真空装置に接続するようにするのが好ましい。これも前述と同様に、不凝縮ガスの滞留を防ぐためである。
具体的な例としては、蒸発器は上下に重ねられ、脱気室は、最上段の蒸発器の上に設定され、脱気室及び蒸発器は原水を貯留する貯留槽を有し、各貯留槽内に貯留された原水は、同貯留槽から溢水することにより、その下段にある蒸発器の貯留槽へ流下するようにされ、脱気室の貯留槽から溢水した原水は、Ｕ字管部分を有する管路を通して、最上段の蒸発器の貯留槽に流下されるようにされ、該Ｕ字管部分は、最上段の蒸発器における最高温度での飽和蒸気圧力と、前記真空装置によって前記脱気室にかけられる最高の減圧圧力との差圧に相当するヘッドを有するようにされる。また、熱源を、太陽エネルギーにより熱媒を加熱する太陽熱集熱器とし、該太陽熱集熱器からの熱媒蒸気を加熱源として、蒸発装置の脱気室と最上段の蒸発器の熱交換器に供給し、凝縮した凝縮熱媒を該太陽熱集熱器に戻すようにすることができる。
更に、本発明は、太陽熱を集熱して熱媒を加熱し熱媒の蒸気を発生させる集熱パネルを有する太陽熱集熱器と、熱媒と原水との間で熱交換を行うための熱交換器を有する蒸発装置と、該蒸発装置へ原水を供給する原水供給装置と、蒸発装置内で発生した水蒸気を受け入れ凝縮させて蒸留水とするための凝縮装置と、太陽熱集熱器で蒸気とされた熱媒を前記蒸発器の熱交換器へ供給する熱媒供給管路、及び、熱交換器での原水との熱交換により凝縮した熱媒を前記太陽熱集熱器へ帰還させる熱媒帰還管路を有し、当該熱媒の太陽熱集熱器での蒸発，及び、熱交換器での凝縮の繰り返しによるサーモサイフォン方式で該熱媒の循環を行う熱媒循環回路であって、熱媒帰還管路内に設けられ、同管路内の凝縮熱媒を太陽熱集熱器に向けて送給するためのポンプを有する熱媒循環回路とを有することを特徴とする淡水化装置を提供する。熱媒をポンプによって集熱パネルに供給することができるので、熱媒の集熱パネルに対するレベルを適正に維持することができ、集熱パネルでの、熱媒への集熱を適正に行うことができる。具体的には、この装置では、熱媒帰還管路内における前記ポンプの上流側に凝縮熱媒を収容するバッファタンクを設けることが好ましい。また、ポンプは少なくとも太陽熱集熱器が最大日射時に蒸発する熱媒量を該太陽熱集熱器に供給できる容量を有するものとされる。
更にまた、本発明では、熱源と、該熱源から供給される熱で原水を加熱し水蒸気を発生する蒸発装置と、該蒸発装置で発生した水蒸気を受け入れて冷却凝縮して淡水を生成する凝縮器と、蒸発装置内で水蒸気を発生して濃縮された原水を、前記凝縮器に導入して冷却水として使用する冷却装置とを備えることを特徴とする淡水化装置を提供する。冷却装置は、淡水化作用をより効率的に行うためのものである。この装置においては、冷却装置が、送風ファンを有し、該送風ファンによって濃縮原水を冷却して、凝縮器の冷却水として使用するようにすることができる。更に、蒸発装置が熱交換器を有し、熱源供給装置が太陽エネルギーにより熱媒を加熱する太陽熱集熱器とし、熱交換器は加熱された熱媒蒸気を受け入れて、原水との間で熱交換を行うようにすることができる。また、蒸発装置は多段に重ねられた複数の蒸発器を備え、各蒸発器は前記熱交換器を有し、これら蒸発器が各蒸発器において発生した原水からの水蒸気を下段の蒸発器に加熱源として送るようになされた多重効用関係に接続され、冷却装置は、最下段の蒸発器から排出された濃縮原水を前記凝縮器に導入して冷却水として使用するようにすることもできる。
発明の好適な実施例
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。本実施の形態例では熱源として太陽エネルギーを用いた淡水化装置を例に説明する。図１は本発明に係る淡水化装置の構成例を示す図である。本淡水化装置は太陽熱集熱器１、蒸発装置２、冷却塔３、蒸留水タンク４、濃縮水タンク５及び真空手段６等から構成される。
太陽熱集熱器１は太陽エネルギーにより熱媒を加熱する複数の太陽熱集熱パネル１−１〜１−６からなる。該太陽熱集熱器１で加熱された熱媒は配管７を通って蒸発装置２に送られ、蒸発装置２からの熱媒は配管８を通してバッファタンク９に収容され、更に該バッファタンク９から熱媒循環ポンプ２６及び配管１０を通して太陽熱集熱器１に戻り循環するようになっている。
蒸発装置２は最上部に脱気室２−１が配置され、その下に複数台の蒸発器（ここでは第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の８台）が配置されて構成されている。原水（ここでは海水）Ｗは、（図１の右下から延び）蒸発装置２内を下から上に順次配管された原水予熱管路１２を通された後、同蒸発装置２の最上位にある脱気室２−１に供給される。脱気室２−１に供給された原水は、所定量だけ貯留されるとオーバーフローして、オーバーフロー管１３を通して、第１蒸発器２−２に流下し、同様にして、第２〜第８蒸発器２−９の各蒸発器に所定量だけ貯留しながら流下するとともに、加熱蒸発されて次第に濃縮されて、最後にオーバーフロー管１４を通って濃縮水タンク５に収容されるようになっている。
太陽熱集熱器１からの加熱された熱媒の一部は脱気室２−１内に配置された熱交換器２−１ａを通され、他は第１蒸発器２−２内に配置された熱交換器２−２ａを通されて（図２参照）、該脱気室２−１及び第１蒸発器２−２内に貯留されている原水Ｗとの間で熱交換が行われる。第１蒸発器２−２の原水の加熱で蒸発した水蒸気は蒸気配管１５を通って第２蒸発器２−３の熱交換器２−３ａに熱源として送られ原水との間で熱交換が行われる。また、第３蒸発器２−４〜第７蒸発器２−８の原水の加熱で蒸発した水蒸気も次段の蒸発器の熱交換器に熱源として送られ原水との間で熱交換が行われ、凝縮されて蒸留水となって最後に蒸留水タンク４に収容される。
濃縮水タンク５の濃縮原水は濃縮原水排出ポンプ１６により配管２７を通って冷却塔３の凝縮器３−１の下部タンク３−１ａに送られ、更に濃縮原水循環ポンプ１７で散水ノズル３−１ｃに供給され、凝縮（伝熱）パイプ３−１ｂ上に冷却水として散水されるようになっている。最終段の第８蒸発器２−９での原水の加熱で蒸発した水蒸気は配管１８を通って凝縮器３−１の凝縮パイプ３−１ｂに送られ、上記散水された濃縮原水との間で熱交換が行われ、凝縮して蒸留水となり配管１９を通って蒸留水タンク４に送られる。下部タンク３−１ａをオーバーフローした濃縮水は濃縮水排出管路２０を通って排水される。
真空手段６は気液分離器６−１及び該気液分離器６−１に接続された真空ポンプ６−２を具備する。気液分離器６−１は配管２１、２２、２３を介して太陽熱集熱器１からの熱媒が通る配管７、蒸発装置２の脱気室２−１、凝縮器３−１のヘッダー３−１ｄに接続される。これにより後に詳述するように、蒸発装置２の蒸発空間及びこれに連通する凝縮空間及び蒸留水貯蔵空間を減圧状態にすることができる。
また、蒸留水タンク４の蒸留水Ｗｂは蒸留水ポンプ２５により排出するようになっている。なお、図１において、Ｖ１〜Ｖ８はパルプである。
図２は上記淡水化装置の太陽熱集熱器１と蒸発装置２の一部の詳細を示す図である。図示するように、太陽熱集熱器１の複数の太陽熱集熱パネル１−１〜１−６で加熱されて蒸気となった熱媒蒸気Ｑ１は脱気室２−１の熱交換器２−１ａ及び第１蒸発器２−２の熱交換器２−２ａを通って脱気室２−１及び第１蒸発器２−２に貯留されている原水Ｗとの間で熱交換が行なわれ、凝縮し凝縮熱媒Ｑ２となってバッファタンク９に収容される。凝縮熱媒Ｑ２は熱媒循環ポンプ２６を介して太陽熱集熱器１の各太陽熱集熱パネル１−１〜１−６に送られる。
図３は上記淡水化装置の蒸発装置２の一部、濃縮水タンク５及び蒸留水タンク４の詳細を示す図である。原水予熱管路１２は第８蒸発器２−９〜第２蒸発器２−３に貯留される原水Ｗ内を通るように配管され、該原水予熱管路１２内を通される原水Ｗが各蒸発器内の原水（濃縮原水）Ｗとの間での熱交換により予熱されるようになっている。原水予熱管路１２を通って予熱された原水Ｗは脱気室２−１に供給され、該脱気室２−１をオーバーフローした原水Ｗは、出口部がＵ字状に形成されたオーバーフロー管１３を通して第１蒸発器２−２に供給される。該オーバーフロー管１３のＵ字状部１３ａは、最上段の蒸発器である第１蒸発器２−２の最高温度に相当する飽和蒸気圧力と真空手段６の最高到達真空度との差圧に相当するヘッドを有する。また、該第１蒸発器２−２をオーバーフローした原水Ｗは、オーバーフロー管１３を通して第２蒸発器２−３に供給され、同様にして、最終段の第８蒸発器２−９まで流下し、各蒸発器には所定量の原水が貯留される。
第１蒸発器２−２で蒸発した水蒸気Ｗａは第２蒸発器２−３の熱交換器２−３ａを通って原水Ｗとの間で熱交換が行われ凝縮し、蒸留水Ｗｂとなって該第２蒸発器２−３で発生した水蒸気Ｗａとともに第３蒸発器２−４の熱交換器２−４ａに送られ原水との間で熱交換が行われる。そして凝縮し蒸留水Ｗｂとなって第３蒸発器２−４で発生した水蒸気Ｗａとともに第４蒸発器２−５の熱交換器２−５ａに送られる。このように、各蒸発器で順に蒸発・凝縮が繰返され、最終段の第８蒸発器２−９の熱交換器２−９ａで凝縮した蒸留水Ｗｂは蒸留水タンク４に供給される。
図４は上記淡水化装置の真空手段６、冷却塔３及び蒸発装置２の一部の詳細を示す図である。図示するように、脱気室２−１、熱媒が通る配管７及び冷却塔３の凝縮器３−１が配管２１、２２、２３を通して真空ポンプ６−２に接続されている。これにより、脱気室２−１の内部空間、配管７及びこれに連通する第１蒸発器２−２の内部空間、冷却塔３のヘッダー３−１ｄや凝縮パイプ３−１ｂ内の凝縮空間を減圧できるようになっている。なお、第２蒸発器２−３以降の各蒸発器の蒸発空間及び凝縮空間は蒸気配管１５で連通されており、同様に減圧できるようになっている。また、排気は真空ポンプ６−２の吐出口に接続された排気パイプ６−３を通して行なわれる。
図５は上記淡水化装置の蒸留水タンク４、濃縮水タンク５及び冷却塔３の詳細を示す図である。蒸発装置２の第８蒸発器２−９で蒸発した水蒸気Ｗａは配管１８を通って凝縮器３−１に送られ、凝縮パイプ３−１ｂを通る間に散水ノズル３−１ｃから散布される濃縮原水Ｗ及びファン３−２から送られる空気との間で熱交換によって冷却が行なわれ、凝縮水Ｗｂとなって蒸留水タンク４に送られる。このとき散水ノズル３−１ｃから散布される濃縮原水Ｗは、ファン３−２から送られた空気で冷却されるから、水蒸気Ｗａは効率良く凝縮される。
上記構成の淡水化装置には、大気圧以上で常に原水を供給できる原水タンク（図示せず）を設置する。淡水化装置の設置初期は、蒸発装置２等の運転時に真空状態が要求される系（蒸発装置２の各蒸発器の蒸発空間及び蒸発空間に連通する凝縮空間、冷却塔３の凝縮器３−１の凝縮空間、蒸留水タンク４及び濃縮水タンク５の蒸留水及び濃縮水貯蔵空間）の減圧を行う。そしてバルプＶ８を開くことにより、真空圧を利用して原水を規定量投入する。当該淡水化装置は、運転開始後、常時減圧状態であるため、蒸発量に応じて第１蒸発器２−２の原水Ｗの液面を維持するように自動的にバルプＶ８を開閉制御することで、原水Ｗを当該淡水化装置内に供給することができる。なお、原水Ｗの供給は原水供給ポンプ１１を用いて供給してもよい。
太陽熱集熱器１は太陽エネルギーを吸収し、内部の熱媒を加熱する。内部が減圧されている太陽熱集熱器１内で加熱された熱媒は蒸発し熱媒蒸気Ｑ１となり、脱気室２−１の熱交換器２−１ａ及び第１蒸発器２−２の熱交換器２−２ａに導入され、これらに貯留されている原水Ｗとの間で熱交換が行われ、原水Ｗは加熱され、熱媒蒸気Ｑ１は凝縮して凝縮熱媒Ｑ２となる。このように熱媒は蒸発・凝縮を繰り返すことにより自然循環、即ちサーモサイフォンにより循環されるが、ここでは更に、熱循環ポンプ８により凝縮熱媒Ｑ２を太陽熱集熱器の集熱パネル１−１〜１−ｎに強制的に送給できるようにしてあり、太陽熱集熱器内での熱媒のレベルを一定に保つことができるようにしている。
第１蒸発器２−２の原水Ｗは、熱媒蒸気Ｑ１により加熱されると蒸発して水蒸気Ｗａを発生する。この水蒸気Ｗａは第２蒸発器２−３の熱交換器２−３ａに送給され、該第２蒸発器２−３に貯留されている原水Ｗとの間で熱交換が行われ、原水Ｗを加熱すると同時に熱を奪われ凝縮して蒸留水Ｗｂとなる。該原水Ｗの加熱で発生した水蒸気Ｗａは第３蒸発器２−４の熱交換器２−４ａに移送され、該第３蒸発器２−４に貯留されている原水Ｗとの間で熱交換が行われ、原水Ｗを加熱すると同時に熱を奪われ凝縮して蒸留水Ｗｂとなる。このように同じプロセスを繰り返す。
第８蒸発器２−９の前段の第７蒸発器２−８で蒸発した水蒸気Ｗａは第８蒸発器２−９の熱交換器２−９ａに移送され、原水Ｗとの間で熱交換が行われ、原水Ｗを加熱すると同時に熱を奪われ凝縮して蒸留水となり蒸留水タンク４に移送される。また、最終段の第８蒸発器２−９で蒸発した水蒸気Ｗａは、冷却塔３内の凝縮器３−１へ移送され、ここで散水ノズル３−１ｃから散布される濃縮原水Ｗとファン３−２から送られる空気により、熱を奪われ凝縮し蒸留水となる。そして蒸留水タンク４へと移送される。
蒸発装置２に供給される原水Ｗは第８蒸発器２−９〜第２蒸発器２−３内の原水Ｗ内を通る原水予熱管路１２内を通る。第８蒸発器２−９〜第２蒸発器２−３内に貯留されている原水Ｗは熱を保有しており、原水予熱管路１２を通る原水Ｗとの間で熱交換が行われ、該原水予熱管路１２を通る原水Ｗは予熱される。これにより第８蒸発器２−９〜第２蒸発器２−３内の濃縮原水Ｗが保有する熱を有効に使用する。
更に、原水Ｗ中に含まれる不凝縮ガスを第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各蒸発器に供給する前に脱気室２−１で脱気されることになる。不凝縮ガスを脱気しない場合は、蒸発器において原水の加熱蒸発を行った際に水蒸気内に、この不凝縮ガスも入り込み、各蒸発器内の熱交換器における水蒸気と原水Ｗａとの間の伝熱を阻害することになるので、この点、上記不凝縮ガスの脱気は、蒸留性能を向上させることになる。
第１蒸発器２−２〜第７蒸発器２−８の各蒸発器で発生した水蒸気Ｗａは、後段の蒸発器の原水Ｗを加熱して凝縮され蒸留水となり、当該後段の蒸発器での原水Ｗの加熱により発生した水蒸気Ｗａと一緒になって、更に後段の蒸発器の熱交換器に導入される。つまり第１蒸発器２−２〜第７蒸発器２−８の各蒸発器は、蒸気配管１５、及び、水蒸気が凝縮されて生成された蒸留水Ｗｂが通る絞り付き蒸留水流路２８により、互いに連通されている。これにより、水蒸気Ｗａの凝縮潜熱だけでなく蒸留水Ｗｂの顕熱も有効に利用することができる。また、蒸留水流路２８を絞り（オリフィス）付きとすることにより、当該蒸留水流路２８が連通する前段の蒸発器の水蒸気凝縮空間と後段の蒸発器の水蒸気凝縮空間との間に圧力差を生じ、このため、不凝縮ガスが同前段の凝縮器内にとどまらずに凝縮水と共に後段側の蒸発器へ流下されるようになる。不凝縮ガスの蒸発器内での滞留は、各蒸発器内の熱交換器における水蒸気と原水Ｗａとの間の伝熱を阻害するが、これを防止することができる。
第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各蒸発器は、供給される原水Ｗが常時規定量を維持するように各蒸発器内にオーバーフロー管１３が配置されており、該オーバーフロー管１３を通しオーバーフローした濃縮原水Ｗは後段の蒸発器に原水Ｗとして導入されている。つまり、各蒸発器は前段の蒸発器から濃縮原水を順次供給されるようになっている。これにより、前段の蒸発器の温度レベルの高い原水が、次段の蒸発器の原水の熱源となり、より効率がよくなる。
このように各段の蒸発器が互いに連通しているので、原水Ｗを連続的に供給することができ、また蒸留水Ｗｂ及び濃縮原水Ｗを連続的に排水することができる。よって第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各段の蒸発器の原水Ｗの保有量が少なくて済むので、淡水化装置がコンパクトになる上、保有原水Ｗの熱量も少なくて済む。これにより、少ない熱供給量で多くの蒸留水Ｗｂが得られ、効率のよい運転が可能となる。そして原水Ｗの保有量が少ないことから、日射変動による応答性が速く効率のよい運転が可能となる。
第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各段の蒸発器で蒸発・凝縮した蒸留水は蒸留水タンク４で一緒になる。そして、蒸留水タンク４内の蒸留水量が規定量に達したら、又は連続的に、蒸留水ポンプ２５で大気圧である系外に排出・回収される。
第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各段の蒸発器で蒸発せず通過した濃縮原水Ｗは濃縮水タンク５にたどり着く。そして濃縮水タンク５内の濃縮原水量が規定量に達したら又は連続的に濃縮原水排出ポンプ１６で冷却塔３の凝縮器３−１の下部タンク３−１ａに移送され、該下部タンク３−１ａの濃縮原水は冷却用水として濃縮原水循環ポンプ１７により散水ノズル３−１ｃに供給され、凝縮パイプ３−１ｂ上に散水される。
第１蒸発器２−２への原水Ｗの供給量は、各蒸発器でのスケーリングを防ぎ、メンテナンス性を向上させ、且つ耐久性を向上させるため、各蒸発器２−２〜２−９の蒸発器内の熱交換器２−２ａ〜２−９ａが原水から常時ドライアップしないようにしており、また各蒸発器を通過して濃縮水タンク５から移送・排出される濃縮原水Ｗの濃縮倍率をスケールの析出倍率（例えば海水の場合１．５）以下になるように設定している。
冷却塔３を設置して最終段の濃縮原水Ｗの温度を外気温付近に一定に保つことで、例えば冷却タンクを有するバッチ方式の淡水化装置で問題となる冷却タンクの冷却水温度上昇（淡水化装置全体の保有熱量の増大）による午後の蒸留性能の低下を防ぐことができ、高い蒸留水の収量を確保できる。また、最終段の第８蒸発器２−９で蒸発した水蒸気Ｗａの冷却を連続的に行えるため連続的な蒸発・凝縮が可能となり、太陽熱集熱器１以外に熱源を確保できれば２４時間連続して運転をすることもできる。
このように原水Ｗの保有量及び保有熱量が少ないこと、冷却塔３を設置して最終段の凝縮水Ｗの温度をほぼ外気温度（例えば外気温３０°Ｃ）に一定に保てること、すなわち、凝縮水の温度上昇を防ぐこと、及び、連続運転を行うことで、例えば通常の太陽熱集熱パネル１−１〜１−６で集められる集熱温度（例えば熱媒蒸気入口温度６５°Ｃ）と原水入口温度（例えば原水入口温度３２°Ｃ）から、本実施例では蒸発装置２を第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の八重効用とした。これにより、エネルギー密度の薄い太陽エネルギーを八回繰返し有効に使用することができる。
バッチ式淡水化装置では、原水を入れ替える毎に、当該装置の大気圧からの真空引きが必要となり、非常に大きい電力消費を必要とするが、上述した本発明に係る淡水化装置では、最初の段階で大気圧からの真空引きを行い装置全体を減圧状態にした後は、原水を連続的に供給して運転を行い、それに伴なって生じる不凝縮ガスの排出が必要となるだけで、大気圧からの真空引きは必要がないので、大幅なエネルギー削減を行うことができる。
太陽が沈み日射がなくなると、蒸発が終了し原水の供給が停止する。つまり、淡水化運転が停止する。そして翌日、太陽が昇り、蒸発装置２内での蒸発が始まると蒸発した分だけ原水Ｗが新たに供給され淡水化サイクルが回り始める。このことから、熱が供給されているときのみポンプ等を駆動すれぱ淡水化運転は可能である。つまり、太陽の日射があって太陽熱集熱器１から蒸発装置２に熱源が供給されているときは同時に発電ができ、必要な電力が供給できる太陽光発電システムを備えることで自立型の淡水化装置になる。
また、連続運転が可能であれば太陽熱集熱器１から蒸発装置２に熱源が供給されているときのみポンプ等を駆動すればよい。つまり、太陽光発電設備を装備していれば、太陽の日射があって熱源が供給されているときは同時に発電ができ必要な電力を供給できる。
また、ポンプ等の電動機器は間欠・時差運転とすることで太陽光発電システムのピーク時の必要容量を抑えることができ、更にＡＣ負荷機器運転に必要な太陽光発電システムの直流の電気を交流に変換するインバータの容量を小さくすることができるため、コンパクトな太陽光発電システムを構築できる。そして、システムと運転フローの最適化ができれば蓄電設備は不要となり、より一層のコンパクトで安全でメンテナンスフリーの電力供給システムを構築することができる。
真空ポンプは、エネルギー密度の薄い太陽エネルギーを繰返し使用するために、ある程度の高真空（例えば外気温３０°Ｃのときの飽和蒸気圧３１．８ｍｍＨｇ）を必要とするため、今までの淡水化装置では真空手段として油回転型の真空ポンプを使用したが、運転時には水蒸気を吸引してしまうため、油に水が混入してしまい油の劣化による真空到達度の低下及びポンプの故障に悩まされてきた。ここでは、油水分離タンクを設置し又油水分離に必要な時間装置を停止する（例えば一日一回夜間等の８時間）ことで油から水を分離できるようになった。これにより、毎日の運転が可能となった。更に、油を使わないスクロール型の真空ポンプ等を使うことで油のメンテナンスが不要となり２４時間連続運転も可能となる。
蒸発装置２を構成する第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９の各蒸発器は伝熱管を水平方向に長く設置した横型蒸発器とすることで十分に広い蒸発面積を確保でき、蒸気速度を抑えられるので、水蒸気Ｗａに同伴するミスト（すなわち、塩分を含んだ原水の微少液滴）の量を低下させることができる。また、蒸発器内の水蒸気の蒸発面から同蒸発器の蒸気出口までの高さを十分にとること及び蒸発器と蒸気出口までの流路に水蒸気と一緒に同伴するミストを捕集するためのバッフル板を備えることで、高品質の蒸留水を得ることができた（本実施例では５μＳ／ｃｍ）。
また、第１蒸発器２−２〜第８蒸発器２−９のように、蒸発器を多重効用とする場合は、縦型一体構造とすることでコンパクト化し、また水蒸気Ｗａ、蒸留水Ｗｂ及び濃縮原水Ｗを自然流下とすることで余計な動力を不要にする。また、現地搬入・工事は本体設置と架台及びパネル類の組立てだけであり、作業が容易となる。
図６は本発明に係る淡水化装置の他の構成例を示す図である。本淡水化装置が図１に示す淡水化装置と異なる点は、脱気室２−１と凝縮器３−１の水蒸気入口側、即ち第８蒸発器２−９から水蒸気を凝縮器３−１に導入する配管１８とをオリフィス等の絞り３０を経由して連通させている点である。これは、絞り３０の前後に圧力差を設けることにより、脱気室２−１で脱気された不凝縮ガスが脱気室内に留まらず、配管２９内を流下し、凝縮器３−１、配管２３、バルブＶ３、及び、真空手段６を介して外部へ流出しやすくするためである。
以上で述べた実施例では、熱源として太陽熱集熱器１を用いる例を示したが、熱源はこれに限定するものではなく、外部熱源を蒸発装置２に直接又は間接的に供給できるものであればよい。
上述した実施例に係る淡水化装置では、次のような効果を得ることが可能となる。
（１）真空手段で蒸発装置の各蒸発器の蒸発空間及び該蒸発空間に連通する凝縮空間及び蒸留水貯蔵空間を減圧し、前段の蒸発器で発生した水蒸気を当該蒸発器の熱交換器に熱源として導入し、発生した水蒸気と凝縮した蒸留水を熱源として次段の蒸発器の熱交換器に供給するようにし、複数個の蒸発器を多重効用としたので、太陽エネルギー等の低いエネルギー密度の熱源を利用して効率よく原水から淡水が得られる。
（２）また、各段の蒸発器で発生する水蒸気、蒸留水及び所定量を超える原水を次段の蒸発器に供給するように、各蒸発器を互いに連通させているので、連続的に原水が供給でき、蒸留水及び濃縮原水を連続的に排出する連続運転が可能となる。また、各段の蒸発器が保有する原水量が少なくて済み装置がコンパクトになる上、保有熱量も少なくて済むから、少ない供給熱量で多くの蒸留水が得られる効率の良い淡水化運転が可能となる。また、連続運転が可能となることから、淡水化装置で最も電力を必要とする蒸発器の蒸発空間、それに連通する凝縮空間、蒸留水貯蔵空間等の大気圧からの真空引きが、運転開始後は不要となる。
（３）また、最終段の蒸発器で発生した水蒸気を冷却塔の凝縮器に供給し、該凝縮器では濃縮水タンクの濃縮原水を冷却水として使用するので、最終段の濃縮水温度を外気温度付近に保つことができ、例えば冷却タンクを有するバッチ方式の淡水化装置で問題となる冷却タンクの冷却水温度上昇（装置全体の保有熱量の増大）による午後の蒸留性能の低下を防ぐことができる。また、最終段の蒸発器で蒸発した水蒸気の凝縮を凝縮器で連続的に行えるため連続的な蒸発・凝縮が可能になり、熱源が確保できれば、２４時間連続して淡水化運転ができる。
（４）また、前段の蒸発器で発生した水蒸気と凝縮水を当該蒸発器の熱交換器に熱源として導入し、発生した水蒸気と凝縮した蒸留水を熱源として次段の蒸発器の熱交換器に供給するようにするので、水蒸気Ｗａの凝縮潜熱だけでなく蒸留水の顕熱も有効に利用することができる。
（５）また、各蒸発器は所定量を超える原水を次段の蒸発器に供給するようにしたので、前段の蒸発器の温度レベルの高い原水が次段の蒸発器の原水の熱源となり、より効率がよくなる。
（６）凝縮器と協働する冷却塔を設けたので、凝縮器に冷却水として供給される濃縮原水を冷却塔が具備するファンから送られる空気により強制的に冷却することが可能となり、凝縮器の凝縮効率を高く、安定的に維持することができ、高効率の淡水化運転が可能となる。
（７）冷却塔を用いることにより、凝縮温度を低く保つことができることによって太陽熱集熱器での集熱温度が下がるから、集熱効率上昇及び集熱量増が可能となり、淡水収量の増大が期待できる。
（８）蒸発装置の蒸発器に供給される原水を原水予熱管路を通して少なくとも一部の蒸発器の原水（既に蒸発装置内に供給され加熱を受けている原水）の保有する熱で予熱するので、蒸発装置内の熱を有効に利用することができる。
（９）蒸発装置は、最前段の蒸発器の前段に脱気室を配置するので、伝熱を阻害する不凝縮ガスを取り除くことができ、蒸留性能を向上させることができ、また、淡水化操作をバッチ式でなく連続的に行うことができる。
（１０）脱気室と凝縮器の水蒸気入口側とを絞りを経由して連通させることにより、該脱気室で発生した不凝縮ガスを該凝縮器の凝縮空間から真空手段を介して脱気排出するのが容易となる。また、絞りを、蒸発器と蒸発器との間の凝縮水通路にも設けることにより、不凝縮ガスの排出を容易にし、該ガスが蒸発器内に滞留することによる熱交換の阻害を防止することができる。
（１１）熱媒循環回路における凝縮熱媒流路に、凝縮熱媒を循環させる熱媒循環手段を設けることにより、集熱器の集熱パネルを最も集熱量の多い角度に設置しても、また日の出時の初期蒸発時でも、また太陽熱集熱器全体の液溜り等の問題から熱媒液面が変動しても、集熱パネルの伝熱面を熱媒体によって満たすことができ、一日の全日射量を有効に使え、且つ日射の間欠性（日射変動）に対して熱媒の蒸発までの追従性をよくすることができるという優れた効果が得られる。
発明の利用可能性
本発明に係る淡水化装置は、化石燃料や電力を熱源とする従来装置のように、その熱源設備が得られるような限られた場所でのみ使用できるのとは異なり、都市などから離れたどのような所にも設置可能であり、太陽エネルギー等の低密度のエネルギーを効率的に利用し、淡水化を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例に係る淡水化装置の構成例を示す図である。
図２は、同淡水化装置の太陽熱集熱器と蒸発装置の一部の詳細構成例を示す図である。
図３は、同淡水化装置の蒸発装置の一部と濃縮水タンク及び蒸留水タンクの詳細構成例を示す図である。
図４は、同淡水化装置の真空手段と冷却塔と蒸発装置の一部の詳細構成例を示す図である。
図５は、同淡水化装置の蒸留水タンクと濃縮水タンクと冷却塔の詳細構成例を示す図でる。
図６は、他の実施例に係る淡水化装置の構成例を示す図である。
【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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