広島工業大学紀要研究編
第 ₅₀ 巻（₂₀₁₆）61 – 66

論文

矩形 TSS における蒸発量に関する基礎的研究
三角彰*・石井義裕**（平成₂₇年₁₀月₃₀日受付）

Basic study of amount of water vapor in humid air in the rectangler – type TSS
Akira MISUMI and Yoshihiro ISHII(Received Oct. 30, 2015)

Abstract
Safe drinking water may not be supplied steadily at some areas in the world. Water service facilities
are not maintained at the water of a well, a river and the pond is used in these countries, therefore theuse of the water conversion device using the solar heat is suitable as a method to product low cost andsafe drinking water. TSS devices are carried out to make clear the between patterns of solar radiationand production mechanism in outdoor on fine days at August in 2013-2014 in Hiroshima. The initial
depth of water in TSS-device affects the production-inertia and the amount of water vapor in humid air
in the device. The production of water varied according to three patterns of solar radiation in one day.
The amount of the production of water increases as the water depth is shallow during the time of solar
radiation increase after sunrise. On the other hand, the amount of the production of water increases as
the water depth is deep, during the time of solar radiation decrease and after sunset.
Key Words: TSS, production, solar radiation, initial depth

な社会問題₁︶，₂︶ となっている。そのため，このような地域

1 ．はじめにの水資源を確保する対策が求められている。水供給の困難

日本では，水道の蛇口をひねるだけでいつでも清潔で安な地域では，淡水化装置の使用が適していると考えられる。

全安心な水をごく簡単に得ることができる。日本総人口 ₁

淡水化技術には，代表的に ₃ 種類に分けることができる。

億余が毎日，水を使用しても水が水道から出なくなるとい

海水を蒸発させ，真水を生成する多段フラッシュ法₃︶（MSF）。

う状況は少ない。水道水は充分に飲料水として用いること海水に圧力をかけて逆浸透膜と呼ばれる濾過膜の一種に通もでき，それを飲んでも健康に大きな問題はない。しかし，し，淡水を生成する逆浸透法₃︶（RO）。蒸発缶を多数並べて，世界では水道設備の整った一部の先進国を除いては，水道最初の効用缶中の海水を加熱し蒸発した蒸気を次の効用缶設備が整理されず，不衛生な井戸水や河川，湖水の水を使の加熱蒸気として使用し，これを順次繰り返して蒸発させ用しなければならない地域も多い。水を居住地から遥かにる多重効用法₃︶（MED）。これらの淡水化方法は大量の造水離れたところまで毎日汲みに行かなければならないというを可能とするが安定した電力の供給が困難な地域の使用に状況の国もある。

は適していない。電力・水資源の安定供給の困難な地域で例えば，バングラディッシュ南部の遠隔地はインフラがの水資源確保の手法として，図⊖₁ に示す太陽熱淡水化装置未整備で電気も十分に届いていない地域である。安心安全（Tubular Solar Still: TSS）の使用が適していると考える。

な飲料水を一定量確保することが難しく，水環境が慢性的

太陽熱淡水化装置は，他の淡水化手法と比べ造水能力が* 広島工業大学大学院工学系研究科建設工学専攻** 広島工業大学工学部都市デザイン工学科
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三角

図 1

彰・石井義裕太陽熱淡水化装置（Tubular Solar Still）
図 2

太陽熱淡水化装置（TSS）造水概要

極めて低いが低コストで大量生産可能であり，維持管理が容易であるため発展途上国等の小規模な生活空間での使用量・水温などからその関係性を明らかにすることを目的とが可能である。太陽エネルギーを用いて，蒸留水を確保すして造水実験を行った。

る太陽熱淡水化装置（以下，TSS とよぶ。）の国内での研究

2 ．実験概要

は福井大学福原らを中心に進められている。TSS には，水盤型太陽熱淡水化装置₄︶ が一般的である。既往の TSS の研（1）造水概要

₅︶

究では，福原 は UAE での造水試験から円筒型 TSS の造図⊖₂ に TSS の造水メカニズムを示す。太陽光によってト水特徴を明らかにし，造水に及ぼすトラフ内の水面からのラフ内の水が温められ蒸発が起きる。蒸発した水蒸気はカ蒸発及びカバー内面で発生する凝縮の影響について明らか

バー内面で凝縮し，水滴として付着する。その水を，装置₆︶にした。伊良部 らは海水淡水化装置を用いて造水実験を下部より回収する。

行い，蒸発・蒸留に伴う熱流速や蒸発量は定常的に推定できることを示した。また，寺崎₇︶ らはバングラディッシュ（2）実験装置・概要
実験では，矩形断面のトラフを持つ装置を製作した。ト

にて現地の水源を使用し蒸留水の水質検査を行い，比較的ラフ部分は，縦 ₀.₀₈ m×横 ₀.₁ m×長さ ₀.₅ m であり，段に安全な蒸留水の確保に成功している。
このように既往の研究は，TSS の基礎的な造水メカニズボールで作製した。トラフは黒いポリエチレンフィルムでムの特徴や造水能力についての知見が示されている。また，密着し，円筒状の針金を巻きつけフレームとし，フレーム実用化に向けた装置の開発をし，造水実験が行われている。の周囲をカバー（透明のポリエチレンフィルム）する。透今後は，装置の造水能力を向上させ対象地での実験サンプ

明のポリエチレンフィルムの透過率は約₉₇％であり，造水ルを多数集めることで，実用化を目指すことが課題である。

に関しての影響は少ない。実験は，屋外実験を ₃ 回行い，₈︶

TSS の課題である造水能力の向上では，山路 らが日没後それぞれを CASE ₁ ～ CASE ₃ とする。表⊖₁ に実験条件をも造水が続く（造水慣性と呼称）ことから屋内実験におけ示す。本研究では初期水深による造水特性を比較するため，るトラフの初期供給水量（初期水深）と日造水量の関係お矩形 TSS を ₃ 基使用し，それぞれの初期水深を水深 ₁ cm，よび日造水量に及ぼす造水慣性の影響を明らかにした。

水深 ₂ cm，水深 ₄ cm とし実験を実施した。水深に対応す

本研究では，屋外実験において TSS の造水が日没後も継るそれぞれの装置名を装置 ₁ ，装置 ₂ ，装置 ₃ とした。装続する造水慣性を確認する。また，筆者及び既存の研究か置内に入れる初期水には水道水を使用した。実験では，トら初期水深の条件を変更した場合，日射量の上昇時と下降ラフ内の水温 TW（℃）をデータロガー（Graphtec GL₂₂₀）時及び日没後の時間造水量の造水傾向が異なることが予想と電熱対を用いて計測した。また，TSS 内の湿り空気温度される。そこで，初期水深による日射量上昇時・下降時・（以下，内気温と呼ぶ）Tha（℃）と相対湿度 RH（％），外日没後の造水慣性について造水量および湿り空気の水蒸気気温（℃）は温湿度センサー（Sensirion SH₂）を用いて計

表 1

実験条件

総日射量（MJ/m₂） 装置 ₁ （水深 ₁ cm） 装置 ₂ （水深 ₂ cm） 装置 ₃ （水深 ₄ cm）
初期水量（ℓ）

₀.₅ ℓ

₁.₀ ℓ

₂.₀ ℓ

CASE ₁

₁₀.₆

₂₉.₆

₃₆.₅

₄₂.₅

CASE ₂

₁₁.₇

₃₇.₈₄₇.₇₅₆.₅

CASE ₃

₁₄.₉

₅₉.₁

₆₁.₀

₇₄.₀

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矩形 TSS における蒸発量に関する基礎的研究測した。日射量は，日射計（PCM-₀₁（L））を使用して計測を行った。それぞれ計測時間は実験日前夜の₂₂:₀₀から翌日₂₂:₀₀まで₂₄時間計測した。造水量は₉:₀₀から回収できなくなるまで計測した。

3 ．実験結果（1）総日造水量と日射量の関係
図⊖₃ にトラフ内に供給する初期水深における総日造水量と日射量の関係について示す。総日射量については CASE
₃ では，各 CASE の中で ₁ 番高い総日射量 ₁₄.₉₉ MJ/m₂ を

図 4記録した。CASE ₁ において，総日造水量は装置 ₁ （水深時間造水量と日射量の経時変化（CASE ₁）₁ cm）が ₂₉.₆ g，装置 ₂ （水深 ₂ cm）が ₃₆.₅ g，装置 ₃（水深 ₄ cm）が ₄₂.₅ g であった。水深が深いものほど総日造水量は増加傾向にある。装置 ₁ と比較すると装置 ₂ は₁.₃倍，装置 ₃ は₁.₈倍の日総造水量を回収することが可能である。また，日射量が高い CASE ほど各装置の日総造水量は増加している。日射量が高くなるほど，初期水深が深いほど日総造水量が増加すると考えられる。CASE ₂，CASE ₃においても同様の結果となった。
（2）時間造水量および累積時間造水量と日射量日射量が高くなるほど，初期水深が深いほど日総造水量
図 5が増加する。そこで，各装置の時間造水量と日射量の経時累積時間造水量の経時変化変化に着目し，造水の傾向について考える。
図⊖₄ に CASE ₁ の時間造水量と日射量の関係を示す。
₂

CASE ₁ の総日射量 ₁₀.₆ MJ/m ，時間最大日射量は，₁.₈₂射量上昇時と異なる造水傾向となった。日没後₁₉時以降の造水量は，装置 ₁ が ₀.₃ g，装置 ₂ が ₀.₄ g，装置 ₃ が ₄.₀MJ/m である。日の出（午前 ₅ 時）から日射量が上昇しg を回収した。各装置の₁₉時以降の造水量は，総日造水量₄ ～ ₅ 時間後に造水が始まる。最大時間造水量は，₁₃時にに対して装置 ₁ では₁.₄％を回収している。装置 ₂ は，装置 ₁ が ₆.₅ g，装置 ₂ が ₈.₂ g，装置 ₃ が ₁₀.₄ g となっ₁.₁％，装置 ₃ は₉.₄％となった。装置 ₃ は日没後も造水した。日射量が上昇している₁₃時までは，水深が浅い装置がており，総日造水量の約₁₀％が日没後に造水していること多く造水している。₁₃時までの総造水量は装置 ₁ が ₁₀.₂ g，が明らかとなった。

装置 ₂ が ₉.₂ g，装置 ₃ が ₅.₂ g となった。CASE ₂， ₃ で

図⊖₅ に CASE ₁，CASE ₃ における累積時間造水量（g）も同様の傾向にある。日射量が下降した₁₅時付近から，水の経時変化を示す。造水がはじまり，₁₅時までは水深が浅深の深い装置 ₃ ＞装置 ₂ ＞装置 ₁ の順に造水しており，日い装置ほど累積時間造水量が多い。₁₅時以降での装置 ₁ ，₂ では，造水は緩やかである。装置 ₃ は日射量が下降また日没後も日射に関係なく造水している。
このことから屋外実験においても，山路 ₆︶ らが示した「初期水深が大きいほど造水継続時間が長く，日没後の総造水量に対する造水の割合が大きくなる」という造水慣性の特性を確認することができた。このことより，初期水深が日射量下降時および日没後の造水に影響を与えていると推測される。
（3）水温
初期水深によっては，日射の少ない状況でも TSS は造水

図 3

総日造水量と日射量の関係していることが明らかとなった。そこで，造水している─ 63 ─

三角彰・石井義裕

気圧を求める。式（₂）にて飽和水蒸気圧を飽和水蒸気量にTSS の装置内の気温の影響に明らかにする。
造水状態の装置内では蒸発と凝縮が同時に行われている換算し，式（₃）にてあらかじめ計測した湿度 RH と飽和水と考えられる。造水時の装置内の蒸発および凝縮は水温や蒸気量 a（T）から湿り空気の水蒸気量（kg/m₃）を求めた。

内気温の変動が関係しているため，装置内の水温と内気温

 a (T − 0.01) es(T ) = 6.1078exp  T + 237.29 に着目する。
図⊖₆ に水温の経時変化を示す。各装置の水温は装置 ₁ を

a (T ) =TW₁，装置 ₂ を TW₂，装置 ₃ を TW₃とする。日射量が上昇している時間は TW₁＞TW₂＞TW₃となり，下降し始めると TW₁＜
TW₂＜TW₃ となる。TW₁，TW₂，TW₃ の最高水温は，それぞれMe =₆₁.₅℃，₆₀.₈℃，₆₁.₈℃であった。

217es(T )(T + 273.15)

RH (T ) a (T )1.0 × 10 5

（₁）

（₂）

（₃）

水温に関しては，初期水深による最高水温及び，水温温太陽の日射量と水温の上昇に伴い，各装置の水蒸気量が度差に大きな変化は見られなかった。しかし，水温の温度発生する。日射量上昇時には，装置 ₁ ， ₂ が活発に蒸発し上昇までの時間や温度の低下する時間帯に差異が見られた。

水蒸気量を装置内に供給している。日射量下降時には，各日射量上昇時は水深が浅いほど水温が上昇しやすく，日射装置の水蒸気量は低下するが水深の深い装置は水蒸気量の量下降時は水深の深いものほど冷めにくく，変化のパター減少は，緩やかである。これは，水温の温度変化が関係しンは造水量と同様の傾向を示した。ていると考えられる。装置 ₂ ， ₃ は装置 ₁ と比較して，水深が深いため温められた水温の熱エネルギーが大きい。そ（4）湿り空気中の水蒸気量のためトラフ内の水温がさめにくいことが原因と考える。

図⊖₇ に内気温より導いた装置内の湿り空気中の水蒸気量

図⊖₈ に累積時間造水量と累積水蒸気量の関係を示す。の経時変化を示す。湿り気空気中の水蒸気量の計算には，水蒸気量の増加に伴い，累積時間造水量も増加している。

式（₁）に示すティーテンス（Tetens）の式より，飽和水蒸累積水蒸気量が ₀.₃ ㎏/m₃ を超えると各装置造水が始まり，₀.₆ ㎏/m₃ 以上では装置 ₃ が他の装置と比較し造水していることがわかる。

図 6

水温の経時変化
図 8

累積時間造水量と累積水蒸気量の関係（5）時間造水量と「内気温と外気温差」の関係
TSS の造水は装置内の湿り空気の水蒸気量・水温の変化だけでなく，湿り空気温度である内気温と外気温の関係も造水に影響を与えていると考えられる。
図⊖₉. ₁₀に時間造水量と「内気温と外気温差」の関係を示す。初期水深によって，時間造水量・水温・湿り空気中の水蒸気量の変化は，日射上昇時と下降時・日没後で傾向が異なることが予想される。そこで，日射上昇時と下降
図 7

湿り空気中の水蒸気量の経時変化

時・日没後の時間造水量と「内気温と外気温差」を比較す─ 64 ─

矩形 TSS における蒸発量に関する基礎的研究

Mpd＝₀.₁₆Rsd－₀.₀₇（₅）

Mpd＝₀.₁₁Rsd＋₀.₀₉（₆）

Mpd＝₀.₃₆Rsd－₂.₃₈（₇）

Mpd＝₀.₂₄Rsd－₀.₇₃（₈）（6）日射量と単位体積造水量の関係
図 9

時間造水量と「内気温と外気温差」の関係（₂₂時～₁₅時）

図⊖₁₁に，日射量 Rsd （MJ/m₂day）と単位体積日造水量Mpd（kg/m₂ day）の関係を示す。この関係は，TSS の日造水量を規定する代表要因の ₁ つとして福原らによって使用されている。Rsd は Mpd に対応して線形的に増加しており，各装置の関係式は（₅），（₆），（₇）に示す。福原らのアラブ首長国連邦（U.A.E）での造水実験₅︶ の線形式を（₈），寺崎らのアラブ首長国連邦（U.A.E）での造水実験₉︶ の線形式を（₉）とする。今回の造水実験での線形式と福原・寺崎らの線形式を比較すると本研究の TSS は福原₅︶・寺崎₉︶ らよりも造水能力が低い結果となった .U.A.E における実験では，日射量が高い CASE（₂₀～₃₀ kg/m₂day）での測定が行われていることも造水能力が低いことに影響していると考えら

図 10

時間造水量と「内気温と外気温差」の関係（₁₆時～₂₂時）ることで各装置の温度差が造水に与える影響について検討する。
図⊖₉ では，実験前夜₂₂時～日射下降時の₁₅時までの時間造水量と「内気温と外気温差」の関係を示す。グラフの時間軸は，左→右に動く。日射上昇によって各装置の内気温は上昇し温度差が大きくなる。内気温と外気温の温度差は，最大で装置 ₁ が₁₈.₁℃，装置 ₂ が₁₉.₇℃，装置 ₃ が₁₆.₃℃
図 11となった。水深の浅い装置ほど，内気温と外気温の温度差日射量と単位体積造水量の関係は大きくなりやすい。水深の浅い装置は水温の上昇が早く，湿り空気の水蒸気量も多いため内気温が上昇しすいと考えれる。また，今後は装置内の空気の漏気が造水に与える影られる。

響も考慮しなければならない。

図⊖₁₀に日射下降時₁₆時から日没後の₂₂時までの「内気温4 ．まとめと外気温差」の関係を示す。グラフの時間軸は右→左に動く。日射下降時から日没後は温度差が小さくなり，時間造本研究では，屋外での TSS の造水実験を行った。日没後水量も低下していく。装置 ₃ の温度差の減少は，装置 ₁ ，も TSS の造水が続く造水慣性を確認し，日射上昇時・下降₂ と比べると緩やかである。これは水深の深い装置ほど水時また，日没後の装置内の造水について調べた結果を示す。

温が冷めがたく，湿り空気中の水蒸気量の減少が緩やかで（₁）TSS の屋外における造水実験においても造水慣性を確認することができた。初期水深が深いほど造水慣性はあることに関係していると考えられる。
Mpd＝₀.₁₄Rsd＋₀.₈₁（₄）

顕著に表れる。
（₂）初期水深は，水温・内気温・湿り空気の水蒸気量に影響を与える。そのため造水の傾向が異なる。

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三角彰・石井義裕（₃）日射が上昇する場合では，水深が浅いものほど造水効

₄ ）永井二郎，福原輝幸，浅野文朗：UAE における太陽熱果が高い。水温・内気温の上昇により水面より蒸発す淡水化装置の開発，日本機械学会熱工学コンファレンる水蒸気量が多く，凝縮されることで造水していると

ス₂₀₀₃講演論文集，No. ₀₃ – ₃₀，pp. ₃₃₉ – ₃₄₀，₂₀₀₃.

考えられる。

₅ ）福原輝幸，kh.Md. shafiul Islam：アラブ首長国連邦に（₄）日射が下降または，日没後では，水深が深いものほど造水時間が長く，造水効果の期待が持てる。水深の影おける円筒型太陽熱淡水化装置の造水性能，地下水技術，第₄₈巻，第 ₆ 号，pp. ₃₁ – ₃₅，₂₀₀₆.

響により温められた水温・内気温が冷めにくく空気中₆ ）伊良部邦夫，新垣洋作，照屋功，原田周作：太陽熱利の水蒸気量も低下しにくいため，また外気温の低下に用による海水淡水化装置の開発，日本機械学講演論文

より，日射がなくても造水していると考えられる。

集，No. ₀₄₈-₁，pp. ₁₉₉ – ₂₀₀，₂₀₀₄.

文₇ ）寺崎寛章，shafiul Islam，梅村朋弘，山元謙侑，福原輝

献

幸：円筒型太陽熱淡水化装置による塩性化した溜め池

₁ ）酒井彰，坂本麻衣子，高橋邦夫：バングラディッシュの水質浄化試験―バングラディッシュ，パイガザ地域の ₂ つの農村における安全な飲料水供給と衛星に関すでの水環境改善活動―，土木学会第₆₉回年次学術講演

る住民意識の比較，流通大学論文集，第₂₂巻，第 ₂ 号，概要集，₂₀₁₄.

₁ – ₁₂，₂₀₁₂.

₈ ）山路昂央・寺崎寛章・福原輝幸・石井義裕：円筒型太₂ ）福原輝幸，石井義裕，shafiul Islam：TSS 導入を目指したバングラディッシュ，パイガサ地区の水環境調査，
平成₂₂年度土木学会全国大会概要集，Ⅶ-₁₁₆，₂₀₁₀.

陽熱淡水化装置（TSS）の造水慣性，土木学会論文集
B₁（水工学

Vol. ₆₉，No. ₄，l_₁₄₄₁ – l_₁₄₄₆，₂₀₁₃）.

₉ ）寺崎寛章，山路昂央，草間政寛，福原輝幸：アラブ首₃ ）須藤皓平，西村泰法，柏木隆矢，佐藤翔馬，平嶋紀

長国連邦における円筒型太陽熱淡水化装置（TSS）の子：発展途上国への海水淡水化技術の導入に関する研造水性能評価，土木学会第₆₆回年次学術講演概要集，究，早稲田社会科学総合研究学生論文集，₂₀₁₀.

Vol. ₆₆/Ⅶ-₀₀₃，pp. ₅ – ₆，₂₀₁₁.

─ 66 ─