JP2014101720A - 取水装置及び取水方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気中の水分を効率よく取入れ、熱交換器により冷却して凝縮し、温水または冷水として供給口から取り出せるようにすることができる取水装置を提供する。
【解決手段】大気中の水分を取水する取水機構１に、温度センサー２により外気の温度変化を感知し風量または風速をコントロールする大気取入コントローラー７を設けた。また、大気取入コントローラー７と連動して熱交換器５の冷却能力をコントロールする冷却コントローラー８を設けた。冷却コントローラー８を使用することにより、外気温の変化に対応して、外気温が高くなれば冷却温度を下げ，外気温が低くなれば、冷却温度を適宜上げることにより、より効率よく取水できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気中から水分を取出す取水装置に関するものであり、外気温度に応じて取入れられる空気の風量又は風速を制御すると共に、熱交換器の冷却能力に応じて空気を効率よく冷却して水分を取り出せるようにしたものである。
さらに、熱交換器の冷却能力をより効率よくするため、逆浸透膜からの排水をコンプレッサーの冷却に利用して廃棄水の生じないリサイクルを実現した取水方法を提供するものである。

従来、大気中から水分を取入れ飲料水等の生活用水に用いる装置は、種々提案されてきた。それぞれ造水装置、取水装置或いは給水装置の名称で、大気中の水分を熱交換器による水分を温度差により凝縮して取り出している。

特開昭５３−１０８６５１公報 凝縮型空気乾燥装置 特開昭５７−３８９２９公報 造水装置 特許第４５９３６９８号公報 取水装置 特表２００２−５０５４０９公報 造水装置 特開２００４−１９０２３５号公報 大気中の水分を用いた浄水器 特開２０１０−１０６４８６号公報 給水装置

しかし、風量（風速）の制御と冷却器の制御を個別的に制御するだけではなく、大気取入れコントローラーと冷却コントローラーとが、外気温に応じて連動して熱交換器の冷却能力を十分に働かせなくては、効率よく水分を取り出すことができない。

上記の課題を解決するため、大気中の水分を取水する装置であって、取水装置に、外気温度により吸気ファンの風量又は風速をコントロールさせる大気取入コントローラーを設け、この大気取入コントローラーと連動するように全体の制御装置（ＣＰＵ）の指令により熱交換器の冷却能力をコントロールする冷却コントローラーを設けた。

さらに、逆浸透膜を通して出る排水を、コンプレッサーの冷却に利用することにより、冷却能力を向上させて、効率の良い水分の取出方法を提供するものである。

本発明では、ファンとコンプレッサーをそれぞれの制御基盤でコントロールする他、外気温との関係で中央演算装置（ＣＰＵ）によりコントロールするので、それぞれ風量（風速）規制及び熱交換器の冷却能力を制御できるようになっている。

さらに、逆浸透膜を使用してろ過し浄水しているが、この逆浸透膜から生じる排水を廃棄することなく、排水を利用するようにした。この排水がコンプレッサーの外周に巻きつけられた銅管を通すことにより、コンプレッサーの温度上昇を抑え、冷媒温度を調節し、熱交換器の性能維持が極めて有効となった。

従って、従来より１５〜２５％程度コンプレッサーの冷却速度が速くなり、大気中から得る水滴も同じく１５〜２５％効率よく取水することができるようになった。（表３参照）

本発明の制御システムを示す説明図。 本発明の取水方法を示す説明図。

図１において、１は取水機構で、外気の温度センサー２を有し、空気中のゴミを取り除くフィルター３と、殺菌器４と、コンプレッサーを備えた熱交換器５と、一つ又は複数の吸気ファン６とから構成されている。

殺菌器４は、プラズマイオン発生器などを用い機器のまわり及び機器周辺の約６畳〜８畳程度の範囲でウイルス、バクテリアなどを殺菌するようになっている。

７は、大気取入コントローラーで、温度センサー２によって外気温を感知し、熱交換器による冷却温度が一定の場合、風量（風速）を制御するものである。

外気温３５℃で、湿度４５％のとき、コンプレッサーを備えた熱交換器５の作動が冷却温度一定であるなら、吸気ファン６の風量（風速）を小さくして効率を高めるようにした。

これは、３５℃の温風を熱交換器に当てることは、温度が上昇し、取水の効率が下がることになるので、吸気ファンの風量（風速）を小さくすることにより熱交換器の温度を上げることなく、効率よく取水するものである。

また、外気温１５℃で湿度４５％の大気状態のとき、吸気ファンの風量（風速）を大きくして大量の外気を取り込むことにより、より多くの取水を得ることができる。外気温を感知する温度センサー２のデータDTをコントローラー７に送り、制御データDT1 をファン６に送る。

８は、冷却コントローラーで、大気取入コントローラー７と連動することにより効果を発揮する。熱交換器の冷却温度は一定であるが、冷却コントローラーを使用することにより、外気温の変化に対応して、外気温が高くなれば冷却温度を下げ，外気温が低くなれば、冷却温度を適宜上げることにより、より効率よく取水できる。

９は中央演算装置（ＣＰＵ）であり、外気温の変化に応じて、個別に大気取入コントローラー７及び冷却コントローラー８を制御する他、熱交換器の冷却能力、冷媒の状況等を考慮して総合的に制御するようになっている。
外気温が０℃以下の場合、除霜ランプが点灯し、３０分後にコンプレッサーをＯＦＦにし、吸気ファンを強運転で１０分行う。

図２は取水方法を示し、本発明の特徴を説明する。

空気を熱交換器による温度差によって冷却し、水滴が生成され、貯水タンク１０（１４リットル）に一旦貯水する。一定量貯水後逆浸透膜１５にポンプ１３で加圧して送水し、ろ過浄水後、温水タンク１６又は冷水タンク１８に送水される。適宜飲料水として供給口１７より８５〜９５℃の温水として取り出せるようにし、また供給口１９から冷水５〜１５℃を取り出せるようにした。

５は熱交換器で、コンプレッサー２２の起動により、冷媒を圧縮して冷たくし、冷媒パイプとステンレスフィンの表面を冷やすことで、大気中からファン６により取入れられた空気を冷却して水滴をつくる。
１０は貯水タンクで、水滴を約１４リットル貯水できる。フロートスイッチつきである。

１２は携帯バケツなどの水容器で、手動切替バルブ１１を作動して、災害時などに取水を取り出せるようにした。
１３はポンプで、加圧ポンプとして貯水タンクの水を逆浸透膜１５に送り、ろ過させる。

１４はプレフィルターで、１０ミクロンセディメントフィルターと５ミクロンカーボンフィルターによって粗ごみを処理する。

１５は逆浸透膜メンブレンで、０．０００１ミクロンの微細孔を持つ複合膜であり、バクテリア、ウイルス、重金属などの有害物を限りなく除去する。最後にはポストカーボンを設け、前記フィルターと共に総称して４層構造の逆浸透膜となっている。
１６は温水タンクで、タンク周縁に４６０Ｗのヒートバンド１６aを設けて加熱可能とし、８５〜９５℃の熱湯を得る。

１８は冷水タンクで、周縁には冷却パイプ１８aを設け、冷媒を送り、冷水を得るようになっている。
冷水タンク１８には、温水タンク１６の熱湯が電磁弁（H）を介してポンプ２０により冷水タンクへ移入され、熱湯殺菌することができる。なお、タイマーで３分程度殺菌してから、貯水タンク１０に流入させリサイクルさせる。

リサイクルについては、一日一回熱湯殺菌方式を採用できる。これは深夜時間（例えば午前１時）になると、冷水タンク１８下の電磁弁（S）を開放して全ての貯水を放出する（時間設定）。次に満水状態（HL）にある温水タンク１６のヒーター１６aをONにし、タンク内の温水を再沸騰させ、例えば８０〜９０℃に達すると電磁弁（H）をONとし、ポンプ２０により、温水タンク１６から冷水タンク１８へ送水する。温水タンク１６で、温水がレベルLLになったことを検知後、電磁弁とポンプをOFFとする。

設定時間後（例３０分）、コンプレッサーを起動させ、冷却パイプ１８aに冷媒を送り、冷水を造る。一度殺菌された水は、水温９℃以下になると菌の増殖が極端に低くなる。冷水タンク１８内に流入する水は逆浸透膜によりろ過されているので、菌は除去されており、リサイクルが支障なく行われる。

逆浸透膜から生じる排水は、コンプレッサー２２に巻付けた銅管の中を通すことによりコンプレッサーを冷却し、熱交換の安定的な冷却温度を維持し、安定した効率によって大気中から水滴を作り出すようになっている。なお、コンプレッサーの位置は貯水タンク１０と同レベルにあり、逆浸透膜の排水がコンプレッサー２２の銅管２４内に循環するようになり、コンプレッサーの冷却を継続するようになっている。

以下、殺菌方法について説明する。

５〜１５℃の冷水タンク部分で、一般細菌が多く発生するが、本製品では温水タンクからの熱水を冷水タンクに移送して行う熱湯殺菌と逆浸透膜による浄水作用を用いているので、ほぼ完全に菌の発生を１ｃｃ/１００個以内という水道法基準以下が得られ、ほぼ０にすることに成功した。
殺菌手段としては、塩素殺菌、熱湯殺菌がもっとも有効であり、銀、UVなどから比べると、数段殺菌能力がある。

本発明では、大気中の水分を取水機構により、外気温に応じて制御される熱交換器の冷却能力により凝縮する手段と、生じた水を一旦貯水タンクに集め、加圧ポンプによりプレフィルター、逆浸透膜を通してろ過し浄水する手段と、ろ過された浄水を温水タンク又は冷水タンクへ送水する手段と、必要に応じて温水又は冷水として供給口から取り出せる手段と、冷水タンクに移送された浄水は、一定時間後又は随時電磁弁を経て貯水タンクへ還元するリサイクル手段と、前記逆浸透膜からの排水を廃棄することなく、熱交換器のコンプレッサーの外周に巻きつけた銅管を通して、コンプレッサーを冷却する手段とから成り、熱交換器の冷却能力を効率よく制御することを特徴としている。

本発明の取水方法によると、100% のリサイクルが実現できた。通常飲料水として使用する場合、（２０リットル/日）で、一切捨て水が発生しないようになっている。
通常は大気中から熱交換器によって、水温２５℃、湿度７０％で１２から１４リットル、また水温１０℃、湿度４０％で８から１０リットルを生成するが、災害非常時には、家庭用の災害救済手段を搭載し、池、一般河川、風呂の残り湯等を飲料水にするシステムを付設することができる。

この場合、水温２５℃の場合、２００ml/min ｘ ６０ ｘ ２４時間 で、２８８リットルが生成される。２リットルペットボトルに換算すると。１４４本分に匹敵する。
図中の符号２５は、熱交換器から冷却されて出てくる水滴を受けて貯水タンクに貯めるときのフィルターを示している。

本製品では、給水工事が一切不要であり、電源があれば、大気中より水を作ることがで
きる。また災害時用の給水口を設けておけば、水道水を足して使用することができる。この場合、水道水と直結させるような水道工事を一切不要とした。従って、場所を選ばず、どこでも設置可能である。

本製品の原水は、熱交換器によって、温度差を利用して大気中から水を作るので、蒸留水のようにカルシュウム、マグネシュウムのような硬度分が極めて少ない水であり、軟水である。軟水は、逆浸透膜の除去性能に与える負荷を大幅に軽減し、リサイクルを可能としている。

表１及び表２において、原水は大気中の水分として、常に１０PPM程度の水となる。原水を９７％除去率の逆浸透膜を使用してろ過した場合、逆浸透膜の排水は、排水に１．８を掛けた数値となり、冷水タンク又は温水タンク内の飲料水は、逆浸透膜の浄水と同じである。

また、逆浸透膜の負担係数は３００PPM以上になると、負荷が大幅に大きくなるので、リサイクル回数を６回程度に限定するのが普通であるが、本発明の場合は、原水が大気中の水分であり、雑菌を除いて逆浸透膜でろ過した場合、６回にとどまらずリサイクル回数を伸ばすことを可能とした。

水道水などは、例えば大阪市１００PPM 程度の排水は１．８を掛けると１８０PPMであるので、２回目のリサイクルで３２４PPMになる。従って、リサイクルは無理である。

本製品では、原水が蒸留水の総溶解固形物、無機イオン（TDS）と比較して値が低い水であるので、リサイクル可能となっている。なお、リサイクルの途中で、大気中から取水するので、排水が希釈され理論値では、リサイクルは何回でも問題なく行われることとなる。

冷却コントローラーとして、冷却制御部を設けたのは、大気中からもっとも効率よく取水するには、冷却の表面温度を０〜−５℃にするとよいからである（表２参照）。

表３は本発明で逆浸透膜からの排水を、コンプレッサーの外周に巻きつけた銅管の中を通すことにより、コンプレッサーを冷却した場合に増量される取水効果を示す表である。

熱交換器 ： ケイワイ技研製（ステンレスフィン仕様）
冷媒 ： 代替フロンR134a
コンプレッサー： ことハイリー（海立）製BSA６４５CR-RIEWC
銅管 ： ７重巻き （６Φ）

温度センサーによって感知した外気温において、環境条件１，２，３の場合、逆浸透膜の排液を利用した場合（本発明）と利用しない場合との比較表である。冷却ファンによる風速を一定として得たデータである。

外気温９．３℃で得られた水分の量は、１７％の増量が認められ、外気温２５℃前後で２０〜２５％の増量が認められた。

取水機構による大気中の水分を原水とし、外気温に応じてファンによる風量（風速）
を最適な状態とし、熱交換器の冷却能力を冷却コントローラーで制御しているので、取水効率が極めて高くなっている。しかも、水道工事を必要とせず、逆浸透膜を通してリサイクルを実現しているので、場所を選ばず、電源さえ確保できれば、運転が容易である。

１：取水機構
２：温度センサー
３：フィルター
４：殺菌器
５：熱交換器
６：吸気ファン
７：大気取入コントローラー
８：冷却コントローラー
９：全体の制御装置（ＣＰＵ）
１０：貯水タンク
１３：ポンプ
１４：プレフィルター
１５：逆浸透膜
１６：温水タンク
１７：温水供給口
１８：冷水タンク
１９：冷水供給口
２０：ポンプ
２１：電磁弁
２２：コンプレッサー
２３：排水
２４：銅管

１５は逆浸透膜メンブレンで、０．０００１ミクロンの微細孔を持つ複合膜であり、バクテリア、ウイルス、重金属などの有害物を限りなく除去する。最後にはポストカーボンを設け、前記フィルターと共に全体で４層構造のフィルターとなっている。
１６は温水タンクで、タンク周縁に４６０Ｗのヒートバンド１６aを設けて加熱可能とし、８５〜９５℃の熱湯を得る。

また、逆浸透膜の負担係数は３００PPM以上になると、負荷が大幅に大きくなるので、リサイクル回数を３回程度に限定するのが普通であるが、本発明の場合は、原水が大気中の水分であり、雑菌を除いて逆浸透膜でろ過した場合、６回にとどまらずリサイクル回数を延ばすことが可能となった。

熱交換器 ： ケイワイ技研製（ステンレスフィン仕様）
冷媒 ： 代替フロンR134a
コンプレッサー： ハイリー（海立）製BSA６４５CR-RIENC
銅管 ： ７重巻き （６Φ）

Claims (8)

1. 大気中の水分を取水する取水機構に、外気の温度変化によって風量または風速をコントロールする大気取入コントローラーを設け、この大気取入コントローラーと連動して熱交換器の冷却能力をコントロールする冷却コントローラーを設けたことを特徴とする取水装置。
2. 大気中の水分を取水する取水機構に、外気の温度変化によって風量または風速をコントロールする大気取入コントローラーを設け、この大気取入コントローラーと連動して熱交換器の冷却能力をコントロールする冷却コントローラーを設け、全体として中央演算装置により制御し、さらに熱交換器のコンプレッサーを逆浸透膜の排水を利用して冷却することを特徴とする取水装置。
3. 取水機構が、空気中のゴミを取り除くフィルターと、殺菌器と、コンプレッサーを備えた熱交換器と、一つ又は複数の吸気ファンとから構成されている請求項１又は２記載の取水装置。
4. 大気取入コントローラーが、取水機構に設けた外気温度を感知する温度センサーと、感知された温度に応じて吸気ファンの風量又は風速を制御する制御部とから構成されている請求項１から３の内１つに記載された取水装置。
5. 冷却コントローラーが、大気取入コントローラーの制御部と連動して熱交換器の冷却能力を制御する冷却制御部とから構成されている請求項１から４の内１つに記載された取水装置。
6. 大気中の水分を取水機構により、外気温に応じて制御される熱交換器により凝縮する手段と、生じた水を一旦貯水タンクに集め、加圧ポンプによりプレフィルター、逆浸透膜を通してろ過し浄水する手段と、ろ過された浄水を温水タンク又は冷水タンクへ送水する手段と、必要に応じて温水又は冷水として供給口から取り出せる手段と、冷水タンクに移送された浄水は、一定時間後又は随時電磁弁を経て貯水タンクへ還元するリサイクル手段と、前記逆浸透膜からの排水を廃棄することなく、熱交換器のコンプレッサーの外周に巻きつけた銅管を通して、コンプレッサーを冷却する手段とから成り、熱交換器の冷却能力を効率よく制御することを特徴とする取水方法。
7. 逆浸透膜を経て温水タンクと冷水タンクに送水された水を、温水タンクの周縁に設けたヒートバンドにより８０〜９５℃に加熱し、電磁弁を介して加熱水を冷却タンクに送水して熱湯殺菌をするようにした請求項６記載の取水方法。
8. 緊急時又は災害時には、水道の蛇口からの水を貯水タンクに加えて、大気中の水分と合わせ、ろ過浄水された温水又は冷水を得るようにした請求項６又は７に記載の取水方法。
   
   

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