(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置本体内の上下方向に螺旋状に走ると共に上端及び下端でそれぞれ装置本体Ｂ内に開放された菅体からなり、管外部の「気化領域１」及び上下端が気化領域１に連通する管内部の「凝結領域２」と名づけた二つの領域間の境界壁を構成する凝結領域管１５と、気化領域高所に設けられて装置本体内部上方を高温に蓄熱する熱供給部１３と、装置本体下方に設けられ凝結領域２から気化領域１に気流を循環させる気流循環手段Ｆと、装置外から装置下方を貫通して凝結領域管内を通りその上端から気化領域１上部まで原料海水４を運ぶ間に熱交換して原料海水４を予熱する海水予熱管３と、気化領域１高所から原料海水を噴霧して蒸発させ装置内部高所に高温水蒸気を作るための海水噴霧装置Ｓを具備し、
これらにより、熱交換体である凝結領域管を介して隣接した気化領域１および凝結領域２の両領域を気流循環させ熱交換し気化および水蒸気凝結を行なう海水の淡水化装置であって、気化領域高所に作った浮力の大きい高温水蒸気を凝結領域管上端から吸引し、凝結領域菅内部下方で温度の低い水に戻すときに放出される潜熱が、隣接する気化領域において海水を効果的に蒸発させることで、水蒸気凝結と海水蒸発が表裏一体に同時進行する気流循環による海水淡水化装置。
【請求項２】
前記海水予熱管は、装置外に取り出される海水淡水化の結果である凝結水の熱を原料海水に回収させる熱回収ステップと、凝結領域下部において水蒸気量の減少した気流からさらに水蒸気凝結を促進させる凝結促進ステップと、そして凝結領域内高所の高温水蒸気との熱交換によって原料海水を高温にする高温化ステップとを施す請求項１記載の気流循環による海水淡水化装置。
【請求項３】
熱供給部１３によって装置内部高所を高温水蒸気で蓄熱高温することで装置内下方はその上方との間に温度差を有し、
また気化領域高所に原料海水を噴霧し発生させて得た高温水蒸気を気流循環手段により温度の低い凝結領域管の下方に吸引し水に戻すときに出る潜熱が隣接する気化領域海水の気化に直接使われ、
凝結領域と気化領域の両領域を気流循環させることで、水蒸気の気化および凝結を表裏一体に同時進行させた熱交換を継続する請求項１または２記載の気流循環による海水淡水化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気流循環による海水の淡水化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の海水の淡水化装置として、多段フラッシュ法などの海水蒸発法や、エネルギー節減に優れた逆浸透膜による海水淡水化法を採用したものが開示される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−０２５１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記多段フラッシュ法は機構が複雑であり多量のエネルギーを消費する。また逆浸透膜による海水淡水化はいまだ装置内部での海水淡水化工程で相当量のエネルギー消費を伴う。また薬品処理やメンテナンスの手間がかかり、濃縮海水６の廃棄問題や騒音等の公害を伴うことがある。エネルギーを節減すること、公害を防止すること、同時に海水に溶けている塩ほか各種希少資源の利用を可能にすることは、時代の要請に応えるものである。
【０００４】
そこで本発明においては、簡易な取り扱いと簡易な機構によって、必要なエネルギーを大幅に節約して海水淡水化を行い、同時に海水に溶け込んでいる物質の濃度を高め、海水中の塩を淡水化の副産物資源として利用可能とすることで、前記公害をも緩和しうる海水淡水化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明では下記（１）ないし（３）の手段を講じている。
（１）すなわち、本発明の気流循環による海水の淡水化装置は、
・装置本体内の上下方向に螺旋状に走ると共に上端及び下端でそれぞれ装置本体Ｂ内に開放された菅体からなり、管外部の「気化領域１」及び上下端が気化領域１に連通する管内部の「凝結領域２」と名づけた二つの領域間の境界壁を構成する凝結領域管１５と、
・気化領域高所に設けられて装置本体内部上方を高温に蓄熱する熱供給部１３と、
・装置本体下方に設けられ凝結領域２から気化領域１に気流を循環させる気流循環手段Ｆと、
・装置外から装置下方を貫通して凝結領域管内を通りその上端から気化領域１上部まで原料海水４を運ぶ間に熱交換して原料海水４を予熱する海水予熱管３と、
・気化領域１高所から原料海水を噴霧して蒸発させ装置内部高所に高温水蒸気を作るための海水噴霧装置Ｓを具備し、
・これらにより、熱交換体である凝結領域管を介して隣接した気化領域１および凝結領域２の両領域を気流循環させ熱交換し気化および水蒸気凝結を行なう海水の淡水化装置であって、
・気化領域高所に作った浮力の大きい高温水蒸気を凝結領域管上端から吸引し、凝結領域菅内部下方で温度の低い水に戻すときに放出される潜熱が、隣接する気化領域において海水を効果的に蒸発させることで、水蒸気凝結と海水蒸発が表裏一体に同時進行することを特徴とする。
（２）前記海水予熱管３は、
・装置外に取り出される海水淡水化の結果である凝結水の熱を原料海水に回収させる熱回収ステップと、
・凝結領域下部において水蒸気量の減少した気流からさらに水蒸気凝結を促進させる凝結促進ステップと、そして
・凝結領域内高所の高温水蒸気との熱交換によって原料海水を高温にする高温化ステップとを施すものである。
（３）前記気流循環による海水淡水化装置において、
熱供給部１３によって装置内部高所を高温水蒸気で蓄熱高温することで装置内下方はその上方との間に温度差を有し、
また気化領域高所に原料海水を噴霧し発生させて得た高温水蒸気を気流循環手段により温度の低い凝結領域管の下方に吸引し水に戻すときに出る潜熱が隣接する気化領域海水の気化に直接使われ、
凝結領域と気化領域の両領域を気流循環させることで、水蒸気の気化および凝結を表裏一体に同時進行させた熱交換を継続する。
【０００７】
熱供給部１３によって、装置内下部よりも上部が高温となるように保つことができる。
【０００８】
気化手段は、気化領域１内へ原料海水４又は一次気化しきれなかった濃縮海水６を気化させるものである。熱供給部１３付近である気化領域１の上部から放出することで効率的な気化が可能である。
【００１０】
気化手段は、気化領域高所から海水噴霧する海水噴霧装置Ｓを具備する。このようなものであると、原料海水４内の塩５やスケールが析出した場合でも清掃が容易となる。
【００１１】
上記いずれかの海水の淡水化装置として、気化領域１と凝結領域２とが管体を介して接した構造を採用しうる。この管体は熱交換体からなり、例えば装置内上部から下部に向かって、螺旋状に延設される。
【００１２】
上記構造における凝結手段の例として、凝結領域２内の管体で仕切られた凝結領域２内の上方から下方に向かって、気化した水蒸気を通過させるものが挙げられる。この凝結領域２内の気化気流の通過中に、気化領域１との仕切りを形成する熱交換体によって熱交換を行うことで、前記気流から連続的に凝結水９を得ることができる。このとき凝結水９は、管体の床面を流下して容易に回収される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、上記手段を講じることによって、簡易な取り扱いと簡易な機構によって、従来の海水の淡水化装置がなしえなかった大幅なエネルギーの節減を可能としつつ海水淡水化を行うことができる。また、海水に溶け込んでいる塩５や塩５以外の企業資源の獲得にも道を開き、海水淡水化時に生じる公害の発生を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図１ないし３は、本発明の実施例１の気流循環による海水の淡水化装置を示し、そのうち図１は縦断面構造を模式的に示す説明図であり、図２、図３はそれぞれ図１のイ−イ及びロ−ロ断面図である。実施例１は原料海水４を一回だけ噴霧気化させる一系統の構造例であり、濃縮海水６の回収も行なえる。
【００１６】
図４は、本発明の実施例２の気流循環による海水の淡水化装置の縦断面構造を説明する模式図である。実施例２は、実施例１に加えて、内底Ｂ３で仕切った下方チャンバー２０を有し、また（同一の気化領域１内で）濃縮海水６を再び気化させる二次系統を有しており、副産物である塩５の製造・回収も同時に行うことができる。
【００１７】
図５は、本発明の実施例３の気流循環による海水の淡水化装置の縦断面構造を説明する模式図である。実施例３は、実施例１に加えて、内壁Ｂ２で仕切った内円柱部を有し、またこの内円柱部内で濃縮海水６を再び気化させる二次系統を有しており、副産物である塩５の回収も同時に行なうことができる。
【００１８】
図６ないし８は、本発明の実施例４の気流循環による海水の淡水化装置を示す。具体的には図６は実施例４の縦断面構造を説明する模式図である。図７は、図６から海水噴霧の系統を抽出した海水の系統説明図であり、原料海水４の一次系統を左図に、続けて行われる濃縮海水６の二次系統を右図に示す。図８は、図６から気流及び凝結水９の系統を抽出した気流の系統説明図であり、気流の一次凝結系統とこれによる凝結水９の回収系統を左図に、同時に行われる二次凝結系統とこれによる凝結水９の回収系統を右図に示す。
【００１９】
＜気流循環による海水の淡水化装置の基本構成（図１）＞
本発明の気流循環による海水の淡水化装置内では、領域内の海水を気化して水蒸気を得る気化領域１と、領域内の水蒸気を凝結して淡水を得る凝結領域２とが、これら領域間の境界壁を構成する熱交換体を介して隣接し、装置内下方にある下方連通部８及び装置内上方にある上方連通部７にて各領域が連通される。また装置内上部には熱供給部１３が設けられ、装置内上方が高温水蒸気に満ち蓄熱される。
【００２０】
また装置内には気流を気化領域１−凝結領域２間で循環させる気流循環手段として送風機Ｆを有する。
【００２１】
この気流循環手段によって適度な気流循環を発生させても、以下に説明するように、浮力の大きい飽和水蒸気が自然と装置内上方に向い、蓄熱される。すなわち装置内の下部には比重の大きい空気が残ると共に、凝結水９の回収によって熱が流出する。このため、装置内下部は上部よりも温度が低く、装置内下部では原料海水４に近い（わずか数℃差の）温度を保っている。例えば、原料海水４の温度が２５℃、装置外に回収される凝結水９の温度が２８℃程度のとき、装置内上部の温度９５℃、装置内下部の温度は３０℃程度となる。
【００２２】
装置下部から淡水化後の凝結水９を取り出すことに伴う熱損失は避けることができないものであるが、装置内上部の熱供給部１３によって、この流失熱量と同程度の熱量を装置内に供給し、装置内で熱収支が釣りあうようにし、この熱収支の釣りあいの下で、装置内上部で連続的に熱供給することとしている。そして、高温域ほど水蒸気の浮力がおおきくなり、発生した水蒸気は装置内上方に向かう。このため、装置内では下方から上方に行くほど高温域になり、水蒸気が飽和して飽和水蒸気の割合が大きくなると共に、気流中の空気成分の割合が小さいものとなる。水蒸気たる熱エネルギーの塊の、上方に向かうという性質を利用することで、装置下部を比較的低温に保ち、また装置内上部の蓄熱領域を比較的高温に保つものとしている。
【００２３】
また、装置外の原料海水タンク４０から連通され、装置下方を貫通して装置内部の凝結領域２を通って、原料海水４を予熱しながら上方連通部７付近の気化領域１にある気化手段にまで送る海水予熱管３を具備する。海水予熱管３は、凝結領域２内の下方から上方へ連通され、原料海水４を予熱すると共に、凝結領域２下部の気流から水蒸気の凝結を促進しながら、気化領域１上部の気化手段まで原料海水４を送り込む管体である。
【００２４】
海水予熱管３によって予熱されながら装置内上部に運ばれた原料海水４は、気化手段によって気化領域１内に放出され、水蒸気が気化される。各実施例では気化手段として、図２に示すような多数の噴霧ノズルを有した海水噴霧装置Ｓを使用している。予熱された海水（原料海水４又は濃縮海水６）を熱供給部１３付近の気化領域１高所から微細粒として噴霧することで、理想的な気化を促すことができる。
【００２５】
このようにして原料海水４又は濃縮海水６から蒸発させ、ほぼ飽和して空気成分が僅かとなった高温の水蒸気を、上方連通部７から気流循環手段によって凝結領域２内に強制的に導入する。凝結領域２に入ると、気化領域１との温度差が生じて水蒸気が凝結し、熱水の凝結水９が産生される。
【００２６】
またこのとき、気化領域１では、高温の凝結領域２から熱せられて、海水の水蒸気圧が上昇し、同時に気化領域１内の気流温度も上昇して、原料海水４の気化が促進される。このように、凝結領域２−気化領域１間における気流循環、並びに水蒸気の気化及び凝結作用を組み合わせた熱交換を継続させることで、海水淡水化を行うことができる。
【００２７】
ここで、従来の海水淡水化法においては、海水から分離した水蒸気を水に戻すとき、海水を冷却材に用いており、凝結熱を海水で冷却することで海水中に回収するものとしている。しかし凝結熱を完全に回収することは困難であり、気液相変化における大量の熱流失を避けることができなかった。
【００２８】
また、従来、エネルギーコストの面で優位とされてきた逆浸透膜法でも大量の濃縮海水６の廃棄を行っている。
【００２９】
これらに対して、上記のような本発明の気流循環による海水淡水化法では、水蒸気の凝結熱の大部分が海水の気化に直接使われるため、多くの熱が流出することなく、また冷却液用の海水は必要とされない。よって、本発明の装置内では海水淡水化が完結し、装置内部での熱エネルギーの消耗が殆ど無く、濃縮海水６廃棄の必要も殆どない。このため、本発明はエネルギーコストの面から見ても明らかに優位であり、淡水化の運転コストを極めて低いものに抑えることができる。
【００３０】
（気流循環手段）
気流循環手段たる送風機Ｆは、図１，３に示すように下方連通部８付近の凝結領域管１５内に設けられ、気化領域１で生成した水蒸気を凝結領域２に強制導入することで、気流量を調節しながら気流を各領域間に循環させる。
【００３１】
（気流循環手段）
装置内を循環する気流は、通過する各領域内の温度変化によって、気流に含まれる水蒸気量の増減を繰り返す（図９参照）。ここで装置下部の下方連通部８付近では装置内の各領域で最も温度が低く、気流中の水蒸気成分が殆ど消滅して気流量が最小になる。この水蒸気量が最小になる位置では比重が最も大きくかつ浮力が最も小さい状態になるため、この状態の位置に送風機Ｆを設けることで、浮力に逆らうことなく気流を効率的にコントロールすることができる。また気流循環手段を通過する気流の流量が小さいものであっても、装置上部の高温飽和水蒸気が凝結領域２に大量に導入され、気化領域１ではその後を追って気流が上昇することで、気流の循環がスムーズに行われることとなる。
【００３２】
上昇気流の気化領域１の高所にて、海水から水蒸気が発生すると、比重の大きい空気成分の多くは上昇を妨げられ、多くの水蒸気が自然と装置内上方に集まり、やがて装置内上部は高温の水蒸気飽和状態となる。装置内上部では、多くの水蒸気に僅かな空気成分が含まれる状態の気流が、上方連通部７から凝結領域２内に導入され、その後、下方連通部８付近の気化領域１に設けた気流循環手段たる送風機Ｆによって、凝結領域２から気化領域１へ強制排風される。このようにして気流が装置内を循環する。
【００３３】
本発明はこのように、浮力の大きい水蒸気を凝結領域２に強制導入することで、気化領域１における気化と凝結領域２における凝結とを表裏一体に同時進行させることができる。
【００３４】
上方連通部７では高温かつ高水蒸気圧の気流が大きな浮力を持っており、気流循環手段の強制力なしには気流はその場所に留まろうとする。そこで気流循環手段たる送風機Ｆを下方連通部８に配置し、気化領域１内に排風することで、大きな浮力を持つ気体を凝結領域２内に吸引して凝結領域２内を下降させることができる。
【００３５】
（海水予熱管３）
海水予熱管３は熱交換体からなる凝結領域管１５の内部を通り、管内外の熱交換によって原料海水４を予熱しながら装置内の気化領域１内へ供給する。装置内の気化領域１内の気化手段にいたるまで、原料海水４は、装置外に取り出される凝結水９から原料海水４へ熱を回収せしめる熱回収ステップと、凝結領域２下部気流の水蒸気凝結を促進させる熱回収ステップと、そして凝結領域２内の気流である水蒸気の凝結作用による高温化ステップとが施される。この３ステップによって、原料海水４は気化手段に至るまでに高温状態となる。
【００３６】
（気化手段）
気化手段は、気化領域１における海水の気化を促す手段であり、具体的には、領域上部から海水を噴霧する海水噴霧装置Ｓ（実施例１〜４）によって行われる。海水予熱管３及び熱供給部１３によって海水を予熱及び加熱するとともに気化領域１高所に設けた海水噴霧装置Ｓを使用する実施例１〜４の形態が、最も効率的な水蒸気発生方法である。
【００３７】
海水予熱管３によって高温となった原料海水４は、気化領域１高所から海水噴霧装置Ｓによって噴霧されることで、海水に濡れた熱交換体の蒸発面からだけでなく、浮遊する原料海水４の霧からも効率よく気化する。
【００３８】
なお、装置の連続運転によってすでに装置内部に熱が蓄積し、気化領域１上部も高温高水蒸気圧状態になっている上、凝結領域２からも水蒸気凝結熱が常に流入しているため、気化領域１の海水蒸発による温度低下が予防される。水蒸気が盛んに発生して体積が増加することで、比重の大きい空気成分は上昇しにくくなり、上方連通部７付近では高温であって飽和した気流状態を保つことができる。これによって、下方の気流循環手段たる送風機Ｆを通過する気流量が僅かであっても、気流循環による海水淡水化は効率的に行われる。
【００３９】
（螺旋海水流下面）
海水噴霧装置Ｓ以外の他の気化手段として、気化領域１と凝結領域２とが熱交換体の境界板で隣接し、この境界板は螺旋を描きながら上下方向に連続して、緩やかに湾曲しながら傾斜したスロープを形成することができる。このスロープ上を原料海水４が流下し、螺旋形状によって大きな距離を確保した螺旋海水流下面から気化を促すことができる。この構成によれば、気化領域１の境界面が、第一の境界床面として、原料海水４の流れる海水蒸発面を構成すると共に、凝結領域２の境界面が、第二の境界床面として、凝結領域２天井に発生した水滴の落下した凝結水９の流下水面を構成する。この螺旋海水流下板は、広い熱交換面を連続形成しながら螺旋を描くことで各領域が長い距離を確保してつながり、上部の熱供給部１３付近の上方連通部７に上方端を有すると共に、下部の送風機Ｆ付近の下方連通部８に下方端を有する。
【００４０】
この螺旋海水流下面を形成した構成によれば、気化領域１の第一の境界床面が熱交換体の螺旋板状のスロープからなり、海水予熱管３から供給された原料海水４は、このスロープを伝って流下しつつ海水が蒸発する。スロープの上面側は気化領域１の床面を構成すると共に、下面側は凝結領域２の天井面を構成する。この凝結領域２の天井面に水蒸気が凝結し、そのときに出る熱が熱交換体たるスロープを介して気化領域１床面側の原料海水４に伝達され、気化領域１の海水の気化が促される。
【００４１】
海水予熱管３は、凝結領域２の床面を下方から上方まで這わせた熱交換ホースからなるものでもよい。この熱交換ホースによって、原料海水４は、ホース外にある凝結領域２の床面を流れる熱水から直接熱を回収することができる。また同時に原料海水４は、凝結領域２内の気流から凝結水９が発生するときに生じる凝結熱によっても予熱される。このように気化領域１と凝結領域２とが上下方向に螺旋状に伸びて交互に形成される構造も、比較的簡易な構造といえる。海水が高温になっていれば飽和水蒸気圧も非常に大きく、海水面からの蒸発力も相当に大きいものとなる。
【００４２】
（熱供給部１３）
熱供給部１３は、装置内上部の上方連通部７付近に熱を供給し、装置内の海水或いは気化領域１内の気流を加熱するものである。より効果的な海水加熱のためには、原料海水４が気化領域１内に供給された直後の気流を直接加熱するものが好ましい。また、高温の原料海水４が気化領域１内に供給され蒸発した直後の、液体成分すなわち水分を含まない状態の水蒸気とし、そこに熱を供給すること、及び、上方連通部７付近にて海水の沸騰温度以上に加熱することが望ましい。
【００４３】
液体成分を含まない水蒸気の気流を直接加熱することで、上方連通部７付近の気流温度を海水の沸点よりも高くすることができる。沸点を超える温度の上方連通部７の気流を熱源として、気化手段たる海水噴霧装置Ｓから噴霧される原料海水４の温度を沸点まで上昇させ、上方連通部７付近の気流の水蒸気圧を最大化させることができる。空気成分を僅かしか含まないこの上方連通部７付近の高温気流で、高度に効率的な海水の淡水化が可能になる。
【００４４】
熱供給部１３によって供給された熱は、その後、以下のように熱伝達される。先ず、装置内上方の上方連通部７付近に設けられた熱供給部１３によって供給された熱は、装置内上部に水蒸気を媒体として装置内上部の蓄熱領域に蓄熱される。このため海水の淡水化運転中において、装置内下部よりも装置内上部が高温に保たれ、蓄熱領域が形成される。その後、この高温水蒸気は気流循環手段によって凝結領域２内に強制導入され、凝結領域２では凝結時に凝結熱を放出して、海水予熱管３内の原料海水４や、気化領域１内に熱伝達される。
【００４５】
なお、熱供給部１３は必ずしも上方連通部７の気流出口付近に設けられるものではない。また熱供給部１３で供給される熱源としては、高熱量のものは必ずしも要求されないことから、発電や船舶エンジン作動に伴う廃熱や太陽熱など幅広い種類が利用可能である。
【００４６】
（気流循環による海水の淡水化方法）
本発明の気流循環による海水の淡水化方法は、自然の大気圧下において運転し、気化領域１内の海水蒸発に必要な熱エネルギーのほとんどすべてを水蒸気凝結領域２における水蒸気凝縮熱でまかなうものである。気流循環に起因して、各領域の境界にある熱交換体が熱交換を行うことで海水の淡水化を行う。具体的には、気化領域１−凝結領域２間の気流循環によって、気化領域１での海水から蒸発した水蒸気が、凝結領域２で凝結し、凝結しきれなかった水蒸気が再び気化領域１に入る。
【００４７】
この気化凝結作用は、気流の状態変化、及び、気化領域１と凝結領域２との間に温度差が生じることに起因して、表裏一体で同時進行する。水蒸気の比重が大気と比べて大変小さい上に、飽和水蒸気圧が高温域で急激に大きくなるところへ温度の膨張効果も加わって、装置内部の高所にある気体が大きな浮力を有する。このため装置内上部に高温水蒸気を確実に、かつ簡易な機構によって閉じ込めることができる。
【００４８】
装置内上部に閉じ込めた高温水蒸気は、送風機Ｆによって装置内下部に送られ、その後も繰り返し装置内上下方向に強制的に気流循環させる。気流が上方に流動するときは気化領域１を通り、下方に流動するときは凝結領域２を通るという、熱交換を伴う気流循環を繰り返すことで、連続的に海水の淡水化を行う。
【００４９】
また原料海水４は、装置内を通る圧送管によって圧送され、装置内上部の気化領域１内に噴霧散布される。この圧送管の内外でも熱交換が行われ、海水淡水化の熱エネルギー節減の目的にかなうものとしている。
【００５０】
このようにして海水淡水化を行うことで、気液相変化時の熱放出に伴う熱のロスを極限に抑え、海水の淡水化率を極限に上げることができる。この海水淡水化装置は、シンプルな機構でありながら、大量の淡水造水が極めて少ないエネルギーで行えることで、公害も少ない。また製造コストやメンテナンスの手間のかからないものである。これらは従来の海水淡水化法ではなしえなかった成果である。
【００５１】
上記のような、気流循環式の海水淡水化方法は、大気圧下で海水の沸騰温度以下で海水淡水化を行うため、海水噴霧ではとりわけ構造がシンプルとなる。
【００５２】
気化領域１内の塩５の析出などの汚れは清潔な原料海水４の噴射洗浄装置１４によって洗い流すことができる。また、海水噴霧装置Ｓの周辺にこびりついたスケールの処理は、海水淡水化中に発生するガスを溜めておくことで清掃することができる。なお必要に応じて噴射洗浄装置１４に薬品を溶かした薬品液を使用してこの薬品液で洗い流すこともできる。
【００５３】
本装置は、原料海水４の供給量を少しずつ減らして調節することで、海水淡水化率（原料海水４に対する造水した淡水の重量比をいう。）の極めて高い状態での造水が可能となる。原料海水４供給量を極端に減らすと、気化領域１下部に濃縮海水６が到達できず、乾燥した塩５分が気化領域１に堆積付着するので、これを利用して海水の淡水化とともに製塩５を行うことも可能である。造水割合を高くすれば、造水のコストを引き下げて、濃縮海水６の廃棄による公害もなくなる。このように、目的に応じて海水淡水化率を可変しうるものとすることで、海水中の有用な微量元素など、資源価値の確保につながる。以下、実施例に基づいて詳述する。
【実施例１】
【００５４】
実施例１（図１〜図３）は、原料海水４を気化領域１で一度だけ加熱蒸発させる一つの気化系統と、加熱蒸発させた気体を凝結領域２へ送り込んで凝結させる一つの凝結系統とを有し、両領域間に気流を循環させながら、これらをあわせた一系統内で気化と凝結を続けて行なうものである。
【００５５】
具体的には図１に示すように、装置本体Ｂ内の上下方向に沿って螺旋状に走る熱交換体からなるダクトが凝結領域管１５として設けられる。凝結領域管１５は、上端の上方連通部７および下端の下方連通部８でそれぞれ、装置本体Ｂ内に開放される。
【００５６】
なお、実施例１の凝結領域管１５は一本の円管状のダクトが螺旋を描きながら上下に積み重なって走るものとしているが、他の形態として、同一平面内で渦を描き、最外周と中央を各両端とした複数の渦状ダクトが複数上下に間隔をあけて連結配置されたものとしてもよい（図示せず）。この場合、凝結領域２は装置本体Ｂ内を上下方向へ階段状に形成される。
【００５７】
また、この凝結領域管１５の下端付近の管内に、気流循環手段である送風機Ｆが設けられる。この気流循環手段によって、凝結領域管１５の上端から管内を通って下端へ、さらにこの下端から管外の装置本体Ｂ内に気流を流すことで、凝結領域管１５の下端から装置本体Ｂ内に噴出された気流が装置本体Ｂ内を通って再び凝結領域管１５の上端にまで凝結領域管１５の内外を気流循環させるものとしている。
【００５８】
また凝結領域管１５の上端付近に原料海水４を気化させる気化手段として海水噴霧装置Ｓを設けている。これらによって、凝結領域管１５の管内部が凝結領域２となり、管外部であって装置本体Ｂ内の空間全体が気化領域１となる。凝結領域管１５の上端の開放部は、気化領域１と凝結領域２を装置本体Ｂ内上方で連通する上方連通部７となり、凝結領域管１５の下端の開放部は、気化領域１と凝結領域２を装置本体Ｂ内下方で連通する下方連通部８となる。
【００５９】
この凝結領域管１５の中を、下方連通部８付近から上方連通部７まで、海水予熱管３である熱交換ホースが這い、その後熱交換ホースは、上方連通部７から突出して、装置本体Ｂ内上方の海水噴霧装置Ｓに連通される。また海水予熱管３たる熱交換ホースは下方連通部８付近の下端にて送水管と連通される。送水管は、原料海水タンク４０から原料海水４ポンプおよびバルブを介して連通され、分岐管１５０の管内へ貫通して、分岐管１５０内を通って、分岐管１５０の分岐部にて海水予熱管３たる熱交換ホースと連通される。
【００６０】
原料海水タンク４０内の原料海水４は、ポンプによって装置本体Ｂ内へ送り込まれ、さらに凝結領域２内に這う海水予熱管３内を通って、予熱されながら装置内下方から上方の海水噴霧装置Ｓへ圧送され、この海水噴霧装置Ｓから、装置本体Ｂ内の気化領域１に原料海水４を噴霧する。装置内上部は熱供給部１３によって加熱されており、噴霧された海水の多くが、装置内上方から下方へ解放されることで気化する。
【００６１】
気化した水蒸気は、その圧倒的に小さい比重と気流循環手段である送風機Ｆとによって、装置本体Ｂ内の上方へ向かい、上方連通部７から凝結領域管１５内に導かれる。
【００６２】
その後、凝結領域管１５内にて，気化した気流が凝結し、凝結水９が凝結領域管１５内を流下する。凝結領域管１５の下方連通部８付近は、略水平方向を向くとともに、この水平方向を向いた管本体から下方へ分岐管１５０が連通されており、この分岐管１５０はさらに、逆止弁１７およびバルブを介して装置本体Ｂ外の凝結水タンク９０に連通されている。この逆止弁１７は、分岐管１５０を通じて気流が装置本体Ｂ内部に流れ込むことのないようにするものである。凝結領域管１５内に発生して同管内を流下した凝結水９は、下方連通部８に向かうことなく分岐管１５０に導かれ、その後凝結水タンク９０に回収される。
【００６３】
気化領域１内へ噴霧されて気化しきれなかった原料海水４は、濃縮海水６として気化領域１内下部である装置本体Ｂの底部の濃縮海水６池に貯留する。装置本体Ｂの底部は装置本体Ｂの外部に備えたタンクと、バルブを介して連通することで、貯留した濃縮海水６を回収することができる。
【００６４】
また、装置本体Ｂの外部には、装置内部から逆止弁１７とバルブを介して連通した分岐管１５０の先に凝結水タンク９０が備えられ、さらに、分岐管１５０を貫通した送水管の先に圧送ポンプＰを介して原料海水タンク４０が連通して備えられる。
【実施例２】
【００６５】
実施例２（図４）は、一つの気化領域１と、一つの凝結領域２と、この一つの凝結領域２内を通る２系統の気化手段とを有する。すなわち、原料海水４を気化領域１で加熱蒸発させる第一気化系統と、加熱蒸発しきれずに気化領域１の内底Ｂ３に貯留した濃縮海水６を再び気化領域１で加熱蒸発させる第二気化系統と、第一及び第二気化後の気体を凝結領域２へ送り込んで凝結させる一つの凝結系統とを有する。両領域間に気流を循環させながら、一次気化及び凝結ののち、二次気化及び凝結を繰り返して行なうものである。
【００６６】
（下方チャンバー２０）
また実施例２では、気化領域１の下方を内底Ｂ３で仕切り、装置本体Ｂの下方にこの内底Ｂ３で仕切った下方チャンバー２０を有する。
【００６７】
下方チャンバー２０は、気化領域１の下方を塞ぐ内底Ｂ３を境界壁として装置本体Ｂの下方に形成される。内底Ｂ３には、装置本体Ｂの気化領域１との連通ダクトが貫通されており、この連通ダクトには下方チャンバー２０から気化領域１へと気流を吹き込む送風機Ｆが、気流循環手段として設けられる。凝結領域管１５内を通った気流は、下方連通部８から下方チャンバー２０内に排出され、送風機Ｆによって連通ダクトから装置本体Ｂの気化領域１へと上方流通する。気化領域１の上部にある上方連通部７から再び凝結領域２内へ導かれることで、気流が装置内を上下方向に循環するとともに、下方チャンバー２０を介して各領域内を循環循環する。
【００６８】
凝結領域管１５の下端付近は内底Ｂ３を貫通し、下方チャンバー２０内で下方連通部８として下端が開放される。下端付近は実施例１のような分岐管１５０を有さず、管下端の下方連通部８から凝結後の気流及び凝結水９が共に下方チャンバー２０内に流出する。
【００６９】
（２系統の気化手段）
２系統の気化手段は、原料海水４を外部の原料海水タンク４０から加熱圧送して気化領域１で一次気化させる一次気化手段と、一次気化しきれずに気化領域１下方へ溜まった濃縮海水６の貯留池から再び加熱圧送して同一の気化領域１で二次気化させる二次気化手段とからなる。
【００７０】
一次気化手段は、原料海水タンク４０内から第一圧送ポンプＰ１を介して下方チャンバー２０内部へ貫通した送水管に連通され、下方チャンバー２０内で蛇行配走した下方予熱管と、下方予熱管の先端に連通され、下方連通部８の開放端から凝結領域管１５内を通って上方連通部７の開放端まで配走した第一海水予熱管３１と、第一海水予熱管３１の先端に連通されて装置本体Ｂ内上部に設けられた第一海水噴霧装置Ｓ１とからなる。
【００７１】
二次気化手段は、装置本体Ｂの内底Ｂ３に貯留された濃縮海水６の貯留池から第二圧送ポンプＰ２を介して凝結領域管１５内へ貫通した送水管に連通され、この貫通部から凝結領域管１５内を通って上方連通部７の開放端まで配走した第二海水予熱管３２と、第二海水予熱管３２に連通されて装置本体Ｂ内上部に設けられた第二海水噴霧装置Ｓ２とからなる。
【００７２】
すなわち、実施例２の凝結領域管１５内に沿って、下方チャンバー２０内にある下端から装置本体Ｂ上部にある上端までの第一海水予熱管３１と、装置本体Ｂ内の下方貫通部から装置本体Ｂ上部にある上端までの第二海水予熱管３２との２本の海水予熱管３が通る。２本の海水予熱管３は共に凝結領域管１５内を這って、共に凝結領域２間の上端である上方連通部７から突出し、そしてそれぞれ第一海水噴霧装置Ｓ１および第二海水噴霧装置Ｓ２に連通する。
【００７３】
（内底Ｂ３）
内底Ｂ３には、噴霧によって気化しきれなかった濃縮海水６が凝結海水として貯留する濃縮海水池が形成される。その内底Ｂ３は、図４に示すようなすり鉢状或いは下方錐体からなるものとし、内底Ｂ３の最下突出部から下方チャンバー２０を通って装置外部の塩回収装置１８へ連通する塩回収管を設けてある。塩回収管の管外には、複数枚の盤状の熱交換フィン１９が、下方チャンバー２０内に突出するように固定される。熱交換フィン１９によって、塩５回収時に熱が外部の塩回収装置１８側へ放出するのを防ぐものとしている。
【００７４】
特記しないその他の構成及び淡水化の工程は、実施例１と同様である。
【実施例３】
【００７５】
実施例３（図５）は、原料海水４／凝結海水をそれぞれ第一／第二気化領域１２で加熱蒸発させる二つの気化系統と、それぞれの気化系統で加熱蒸発させた気体を、第一／第二凝結領域２２へ送り込んで各々凝結させる二つの凝結系統とを有し、装置内部上方の蓄熱領域を介して、各系統の気化領域１−凝結領域２間に気流を循環させながら、２系統内でそれぞれ気化と凝結を続けて行なうものである。
【００７６】
実施例３は、円柱缶状の装置本体Ｂが、装置本体Ｂ高さよりも低い円筒状の内壁Ｂ２及び内壁Ｂ２下端を塞ぐ円形の内底Ｂ３によって仕切られることで、外筒部と内円柱部との二重構造になっている。内壁Ｂ２は、装置本体Ｂ下方および上方に、それぞれ濃縮海水６用及び蓄熱領域用の隙間を開けて装置本体Ｂ内部に設けられる（図５）。内底Ｂ３が内壁Ｂ２の下端を塞ぐことで、内底Ｂ３及び内壁Ｂ２によって二次系統の円柱部が形成される。
【００７７】
外筒部で一次淡水化したのち、濃縮海水池の上澄み部分にある濃縮海水６が第二圧送ポンプＰ２によって、内円柱部内の第二海水予熱管３２に送られ、さらに第二海水予熱管３２で予熱されながら内円柱部内の第二海水噴霧装置Ｓ２に圧送され、内円柱部内の第二気化領域１２に加熱噴霧されることで気化し、気化水蒸気を含む気流が第二上方連通部７２から第二凝結領域管１５２内に送り込まれることで、二次淡水化が行われる。二次淡水化は、第二気化領域１２とこの領域内を螺旋状に通る第二凝結領域管１５２とで構成される。
【００７８】
図５において凝結領域２は外側及び内側の二本の円管状のダクトが螺旋を描きながら上下に積み重なって走る。外側のダクトは、外筒部の第一気化領域１１内を螺旋状に走って同領域の上下部に両端開放され、内側のダクトは、外筒部の第二気化領域１２内を螺旋状に走って同領域の上下部に両端開放される。図５の構造によって、第一気化領域１１下方に流れ込む濃縮海水６濃度を、塩５の析出しない程度の海水淡水化率に留め、第二気化領域１２で１００％の海水淡水化率を達成し、第二気化領域１２下部に塩５を析出させることができる。
【００７９】
第一気化領域１１において発生した高濃度の濃縮海水６は、下部の濃縮海水池に溜まる。海水に塩５が析出するのは約３５％以上の濃度からである。原料海水４は、高濃度にならないと塩５が析出しないため、第一気化領域１１では供給する原料海水４の量を一定の時間間隔で増減させ、周期的に内部洗浄をしつつ海水淡水化を行うことができる。前記濃縮海水池の海水をポンプで揚水して、第二気化領域１２内に再び送り込み、第二気化領域１２上部で噴霧することで、海水霧の多くは第二気化領域１２の下部に達することなく、生成塩５が第二気化領域１２の下部に析出される。
【００８０】
凝結領域２は、下端から気流循環手段による気流が気化領域１に排出され、又凝結水９が凝結水９回収手段によって装置外へ連通された配管を通じて回収される。原料海水４は凝結領域２内を通るホースからなる原料海水４予熱管３を通って凝結領域２上部の開放端から海水噴霧装置Ｓに連通される。凝結領域２内部では水蒸気が凝結し、この凝結に伴う放熱は気化領域１の海水蒸発に用いられる。凝結領域２内では、装置内上部から下部に行くにしたがって、凝結水９の量が増すと共に、凝結領域２内を通る気流の流量が減少する。温度が低下して水蒸気を僅かしか含まなくなった気流は、凝結領域２の下端で開放された下方連通部８から、送風機Ｆによって気化領域１内に強制排出される。
【００８１】
実施例３の構成において、第一海水予熱管３１及び熱供給部１３によって高温になった原料海水４は、第一噴霧装置から噴霧される。これにより、第一気化領域１１内で例えば９０％近くを蒸発させてしまうと、内底Ｂ３に貯留する濃縮海水池の濃縮海水６濃度は３０％を越えるものとなる。この高濃度の濃縮海水６を第二海水予熱管３２に圧送し、第二気化領域１２内で同じく９０％近く蒸発させると、第二気化領域１２の下部には殆ど水分が残らず、海水に含まれる塩５が堆積することとなる。そこで実施例２と同様、内底Ｂ３から装置外部へ連通する塩回収管を設け、その先を装置外部で逆止弁１７、バルブを介して塩回収装置１８に連通させている。
【００８２】
第一凝結領域管１５１、第二凝結領域管１５２は共に、下方連通部８付近にて、実施例１と同様の分岐管１５０と、分岐管１５０の途中を貫通する実施例１と同様の原料海水４の送水管を有する。第二凝結領域管１５２の分岐管１５０は、図５に示すように内壁Ｂ２を貫通して、第一凝結領域管１５１の分岐管１５０と合流した上で、この合流した分岐管１５０が逆止弁１７とバルブを介して凝結水タンク９０の上部と連通する。
【００８３】
特記しないその他の構成及び淡水化の工程は、実施例１と同様である。
【実施例４】
【００８４】
実施例４（図６〜図８）は、原料海水４／凝結海水をそれぞれ第一／第二気化領域１２で加熱蒸発させる二つの気化系統と、各気化系統で加熱蒸発させた気体をそれぞれ第一／第二凝結領域２２へ送り込んで各々凝結させる二つの凝結系統とを有し、装置内部上方の蓄熱領域、及び装置内部下方にて両系統の気化領域１と連通した下方チャンバー２０を介して、各系統の気化領域１−凝結領域２間に気流を循環させながら、２系統内でそれぞれ気化と凝結を続けて行なうものである。
【００８５】
（二重構造）
実施例４も実施例３と同様、装置本体Ｂの円筒状の外壁Ｂ１の内側に、外壁Ｂ１よりも筒形の小さい円筒状の内壁Ｂ２が設けられることで、外筒部と内円柱部との二重構造になっている。
【００８６】
（第二系統）
外筒部で一次淡水化したのち、濃縮海水６池の上澄み部分が、第二圧送ポンプＰ２によって濃縮海水６連通管３３を通り、内円筒部の第二凝結領域管１５２内へ貫通して同管内の第二海水予熱管３２に連通され、第二海水噴霧装置Ｓ２に送られる。第二海水噴霧装置Ｓ２から内円筒部内の第二気化領域１２内に噴霧されることで、気化した気流が第二上方連通部７２から第二凝結領域管１５２内に流入し、同管内で二次凝結が行われる。二次凝結は、第二気化領域１２を螺旋状に通る第二凝結領域管１５２内で行なわれる。第二凝結領域管１５２は、平面視内円柱部内であって装置本体Ｂ上方の蓄熱領域で上端開放された第二上方連通部７２と、下方チャンバー２０内で開放された第二下方連通部８２とを両端に有する。
【００８７】
（第一／第二凝結領域２２）
実施例４の凝結領域２は、外側（図８左図）及び内側（図８右図）の二本の円管状のダクトからなる第一凝結領域管１５１／第二凝結領域管１５２内に形成される。第一凝結領域管１５１／第二凝結領域管１５２内は、螺旋を描きながら、それぞれ第一及び第二気化領域１２内を上下に積み重なって走る。外側のダクトは、外筒部の第一気化領域１１内の上部の蓄熱領域内に上端開放された第一上方連通部７１を有し、内側のダクトは、外筒部の第二気化領域１２内の上部の蓄熱領域内に上端開放された第二上方連通部７２を有する。
【００８８】
（各気化領域１の塩５の析出）
第一気化領域１１において発生した高濃度の濃縮海水６は、第一気化領域１１の外筒部下部であって、下方チャンバー２０の区画である内底Ｂ３の濃縮海水池に溜まる。前記濃縮海水池の濃縮海水６を第二圧送ポンプＰ２で揚水して、第二気化領域１２内に再び送り込み、第二気化領域１２上部へ送水したうえで第二気化領域１２の噴霧装置によって噴霧することで、海水霧の多くは第二気化領域１２の下部に達することなく、生成塩５が第二気化領域１２の下部に析出される。
【００８９】
また海水に塩５が析出するのは約３５％以上の濃度からであるといわれており、原料海水４は、高濃度にならないと塩５が析出しない。この性質を利用して、第一気化領域１１では供給する原料海水４の量を一定の時間間隔で増減させ、周期的に内部洗浄をしつつ海水淡水化を行うことができる。
【００９０】
この構造によって、第一気化領域１１下方に流れ込む濃縮海水６濃度を、塩５の析出しない程度の海水淡水化率に留め、第二気化領域１２で１００％の海水淡水化率を達成し、第二気化領域１２下部に塩５を析出させることができる。
【００９１】
（下方チャンバー２０）
実施例４では、二重構造となった外筒と内円柱部の下方に共通した装置本体Ｂと同一平面形状の内底Ｂ３を介して、装置本体Ｂ下方に隣設した下方チャンバー２０を設けている。外側及び内側のダクトの下部は共に、この下方チャンバー２０を貫通して、各ダクトの下端が下方チャンバー２０内に開放される。下方チャンバー２０は外筒部と内円柱部の両方を含む平面領域として下方に区画配置され、外筒部、内円柱部のそれぞれに連通している。
【００９２】
（凝結領域管１５内の気流の動き）
第一／第二凝結領域管１５１／１５２内では、装置内上部から下部に行くにしたがって、凝結水９の量が増すと共に、凝結内を通る気流の流量が減少する。第一凝結領域管１５１の第一下方連通部８１及び第二凝結領域管１５２の下方連通部８は共に、実施例２と同様、分岐管１５０を有さずに下方チャンバー２０内へ開放されている。
【００９３】
第一、第二凝結領域管１５１、１５２を通り、温度が低下して水蒸気を僅かしか含まなくなった気流は、それぞれ第一、第二下方連通部８２から共に下方チャンバー２０内に排出されたのち、下方チャンバー２０内で混合された上で、第一気化領域１１、第二気化領域１２と連通した連通ダクトから、第一送風機Ｆ１及び第二送風機Ｆ２によってそれぞれ第一気化領域１１、第二気化領域１２へ送出される。
【００９４】
又、ダクト下端の下方連通部８で凝結領域２の気流と共に下方チャンバー２０内に開放された凝結水９が、下方チャンバー２０内に溜まり、下方チャンバー２０底部から装置外へ連通された配管を通じて装置外部の凝結水タンク９０に回収される。
【００９５】
（下方チャンバー２０内の原料海水４の動き）
原料海水タンク４０から圧送ポンプＰを介して圧送された原料海水４は、下方チャンバー２０内を蛇行した下方海水予熱管３０を通って、外側のダクトの下開放端からダクト内のホースに連通される。
【００９６】
特記しないその他の構成及び淡水化の工程は、実施例１と同様であり、下方チャンバー２０の構成及び作用は、実施例２と同様である。
【００９７】
その他、本発明は上述した実施例或いは上述した他の構成例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各実施例の要素毎の入れ替えや組み合わせ、要素抽出や形態変更等、種々の変更を行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明では他に、海水に溶けている各種の希少元素を濃縮して結晶化させる可能性も有する。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明の実施例１の気流循環による海水の淡水化装置の系統を示す側面視説明図である。
【図２】実施例１の気流循環による海水の淡水化装置における上部の構成を示す図１の平面視イ−イ断面説明図である。
【図３】実施例１の気流循環による海水の淡水化装置における下部の構成を示す図１の平面視ロ−ロ断面説明図である。
【図４】本発明の実施例２の気流循環による海水の淡水化装置の系統を示す説明図である。
【図５】本発明の実施例３の気流循環による海水の淡水化装置の系統を示す説明図である。
【図６】本発明の実施例４の気流循環による海水の淡水化装置の系統を示す説明図である。
【図７】実施例４の気流循環による海水の淡水化装置における、原料海水４及び濃縮海水６の第一（左）及び第二（右）系統を示す説明図である。
【図８】実施例４の気流循環による海水の淡水化装置における、気流及び凝結水９の第一（左）及び第二（右）系統を示す説明図である。
【図９】水の飽和水蒸気圧の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１００】
１  気化領域
１１  第一気化領域
１２  第二気化領域
２  凝結領域
２１  第一凝結領域
２２  第二凝結領域
３  海水予熱管
３０  下方海水予熱管
３１  第一海水予熱管
３２  第二海水予熱管
４  原料海水
４０  原料海水タンク
５  塩
６  濃縮海水
６０  濃縮海水タンク
７  上方連通部
７１  第一上方連通部
７２  第二上方連通部
８  下方連通部
８１  第一下方連通部
８２  第二下方連通部
９  凝結水
９０  凝結水タンク
１３  熱供給部
１４  噴射洗浄装置
１５  凝結領域管
１５０  分岐管
１５１  第一凝結領域管
１５２  第二凝結領域管
１７  逆止弁
１８  塩回収装置
１９  熱交換フィン
２０  下方チャンバー
Ｂ  装置本体
Ｂ１  外壁
Ｂ２  内壁
Ｂ３  内底
Ｆ  送風機
Ｆ１  第一送風機
Ｆ２  第二送風機
Ｐ  圧送ポンプ
Ｐ１  第一圧送ポンプ
Ｐ２  第二圧送ポンプ
Ｓ  海水噴霧装置
Ｓ１  第一海水噴霧装置
Ｓ２  第二海水噴霧装置
【要約】      （修正有）【課題】簡易な取り扱いと簡易な機構によって、必要なエネルギーを大幅に節約して海水淡水化を行い、同時に海水に溶け込んでいる物質の濃度を高め、海水中の塩を淡水化の副産物資源として利用可能とすることで、前記公害をも緩和しうる海水淡水化装置を提供する。【解決手段】熱交換体を介して隣接した気化領域１と凝結領域２とが、装置内の上方及び下方において連通し、装置内上部を加熱および蓄熱する熱供給部１３と、気化領域１及び凝結領域２間で気流を循環させる気流循環手段と、原料海水４を予熱しながら気化領域１に送る海水予熱管と、海水を気化領域１へ蒸発させる気化手段とを具備する。海水予熱管で予熱されて高温となった原料海水４を気化手段によって気化させると共に、装置内の気流を気流循環手段によって装置内で循環させることで、気化によってできた水蒸気を凝結させ、原料海水４を気化凝結によって淡水化する。【選択図】図４【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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