JPH1110147A - 造水装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 造水の生産性を高めることができる造水装置
を提供する。 【解決手段】 蒸発部１２と凝縮部１５とで構成する膜
モジュール１１を３段設ける。冷却管２４Ａの排出側か
らは海水送出管２６が引き出され、温海水導入部１３Ｂ
の導入側に接続され、温海水導入部１３Ｂの排出側は冷
却管２４Ｃの導入側に接続され第１原水流路を形成す
る。一方温海水導入部１３Ａ、冷却管２４Ｂ、温海水導
入部１３Ｃを第１原水流路と同順に直列接続し第２原水
流路を形成する。そして第２原水流路の先端と、第１原
水流路の終端とを加熱手段２８を介して接続し造水装置
１０を構成する。このような造水装置１０では、蒸発部
１２の入口温度から凝縮部１５の入口温度を差し引いた
値の和が最大になりエネルギ効率を最大にすることがで
きるとともに、膜モジュール１１の複数化により造水率
を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は海水、河川水等から
淡水を得る造水装置に係り、特に液体や懸濁物質の透過
を防止し水蒸気を透過させ疎水性多孔質膜（ＰＶ膜）を
用いて淡水を取り出す造水装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、海水や河川水等から淡水を得る造
水方法の中には透過気化法といった方法が知られてい
る。図６は透過気化方法の造水原理を示した概念図であ
る。同図に示すように透過気化膜モジュール１では、温
海水室２と冷海水室３とが加熱装置４を介して連結され
ており、温海水室２と冷海水室３との間には生産水室５
が両室に挟まれるように設けられている。そして温海水
室２と生産水室５との間は、水蒸気を透過させつつ液体
や懸濁物質の透過を防止する疎水性多孔質膜（ＰＶ膜）
６にて仕切られており、また冷海水室３と生産水室５と
の間は、冷却板７にて仕切られている。このように構成
された透過気化膜モジュール１を稼働させると、温海水
室２に導入された海水から疎水性多孔質膜６前後の蒸気
圧差によって水蒸気が疎水性多孔質膜６の微細孔を透過
して生産水室５側へと移動する。そして生産水室５側に
移動した水蒸気は、冷海水と接している冷却板７からの
影響を受け凝縮され蒸留水（淡水）となり生産水室５か
ら外部へと送り出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述した透過気
化方法では、疎水性多孔質膜６前後におけるわずかな蒸
気圧差を用いて蒸留水を取り出しているので、そのエネ
ルギ効率（性能比率、パフォーマンス比、造水比ともい
う）は決して高いものではなかった。このため生産水室
５側の圧力を負圧に設定し疎水性多孔質膜６前後の圧力
差を大きくすることで蒸留水の生産効率を高めようとの
検討もなされたが、透過気化膜モジュール１では温海水
室２と冷海水室３との間の熱通過率を向上させる目的か
ら疎水性多孔質膜６と冷却板７との距離を接近させてい
る。このため生産水室５の出口側から吸引を行っても疎
水性多孔質膜６が生産水室５の出口付近で冷却板７に密
着するだけで生産水室５の全体を負圧に設定することは
難しかった。

【０００４】また透過気化膜モジュール１では、前述の
通り疎水性多孔質膜６と冷却板７との距離が接近してい
ることから生産水室５から蒸留水を送り出す場合にはか
なりの流動抵抗が発生し、この流動抵抗によって生産水
室５の圧力が上昇していた。そして生産水室５におい
て、熱交換が十分になされた温度の低い箇所では蒸気圧
差はもともと小さい。このためこうした箇所では流動抵
抗によって生じる圧力上昇の方が大きくなっている場合
も考えられる。

【０００５】さらに生産水室５からの蒸留水の送り出し
には、疎水性多孔質膜６を介した温海水からの圧力が用
いられているので、この双方の圧力が生産水室５に加わ
り疎水性多孔質膜６前後におけるわずかな蒸気圧差を狭
め、エネルギ効率を一層悪いものにしていた。また蒸留
水の生産量を確保するため温海水の流量を増加し加熱前
の海水との温度差を大きくしていることもエネルギ効率
を悪くする要因になっていた。

【０００６】また透過気化膜モジュール１の構造では、
生産水量を得るためには温海水室２の温度と冷海水室３
の温度との差が大きいほどよい。しかし両者の温度差を
大きくすることはエネルギ効率を下げることを意味す
る。しかもそのためには透過気化膜モジュール１を通過
する海水の流量を増加させなければならず、この海水の
流量を増加させることは造水率、すなわち汲み上げた海
水の量とそれから取り出せる淡水の量との比率が低下す
るという問題も生じさせた。

【０００７】本発明は上記従来の問題点に着目し、エネ
ルギ効率と造水率とを向上させ淡水の生産性を高めるこ
とができる造水装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】発明者等はエネルギ効率
の向上を図るため種々検討し、実験を行った結果、蒸発
部と凝縮部とを交互に複数接続し、その途中に加熱また
は冷却手段を一箇所設けた場合、その組み合わせの仕方
でエネルギ効率に差が生じることを見出した。

【０００９】本発明は上記の知見に基づいてなされたも
ので本発明に係る造水装置は、疎水性多孔質膜を介して
原水から水蒸気を取り出す蒸発部と、前記水蒸気を取り
込むとともに凝縮をなす凝縮部とからなる膜モジュール
を複数設け、初段の膜モジュールにて前記蒸発部と前記
凝縮部とのいずれか一方を選択した後は次段の膜モジュ
ールでその反対側を選択しこれを最終段の膜モジュール
まで繰り返して直列に接続し第１原水流路を形成すると
ともに、前記膜モジュールの残部側を前記第１原水流路
と同順に直列接続し第２原水流路を形成し、加熱または
冷却手段を介して前記第１原水流路と前記第２原水流路
とを直列に接続するように構成した。

【００１０】そして前記膜モジュールは奇数段で構成す
るのが望ましく、また前記蒸発部を前記原水流路に沿っ
て複数段に仕切り、前記蒸発部と同数段だけ仕切られた
前記凝縮部に吸引手段を介して個々に連結するように前
記膜モジュールを構成した。

【００１１】

【作用】発明者等の研究によると、膜モジュールの構造
を蒸発部と凝縮部とに分割したことから、疎水性多孔質
膜が凝縮部側に接触することがない。このため疎水性多
孔質膜の背面側の圧力を負圧に設定することが可能とな
り水蒸気の取り出しは疎水性多孔質膜前後の蒸気圧差以
上によって行われ、もって疎水性多孔質膜を通過する水
蒸気の量を増加させることができる。また蒸発部から凝
縮部へと移動するのは水蒸気（気体）であることから移
動時の流動抵抗を低減させることができ、さらに生産水
室からの蒸留水の送り出しには、疎水性多孔質膜を介し
た温海水からの圧力が用いられていないことから、疎水
性多孔質膜の前後の圧力差を狭める要因が無くなり、こ
のことからもエネルギ効率を高めることができる。

【００１２】そして膜モジュールを複数設けたことで同
一原水から膜モジュールの設置数分だけ繰り返して淡水
の取り出しを行うことが可能となり、もって造水率の向
上を図ることができる。さらに第１原水流路の初段膜モ
ジュール側を第２原水流路の最終段膜モジュール側に、
もしくは第２原水流路の初段膜モジュール側を第１原水
流路の最終段膜モジュール側に接続されるよう設定すれ
ば、第１原水流路と第２原水流路との間で各膜モジュー
ルごとに交互に熱交換を行い蒸留作業を進めていくこと
から、各膜モジュールにおける蒸発部の入口温度から凝
縮部の入口温度を差し引いた値の和が、蒸発部と凝縮部
との接続の組み合わせの中で最大になり、最も高いエネ
ルギ効率を達成することができる。

【００１３】そして膜モジュールの設置する数を奇数と
すれば、本装置における蒸発部と凝縮部との接続順序が
全て交互となるので加熱または冷却手段が原水に与える
作用が小さくて済む。このため加熱または冷却手段の負
担が軽減され、もってエネルギ効率を高めることができ
る。

【００１４】また蒸発部を前記原水流路に沿って複数段
に仕切り、蒸発部と同数段だけ仕切られた凝縮部に吸引
手段を介して個々に連結するように膜モジュールを構成
すれば、吸引手段によって仕切られた個々の蒸発部の負
圧度合いを設定することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る造水装置の
具体的実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。

【００１６】図２は膜モジュールの構造説明図である。
同図に示すように膜モジュール１１（破線範囲内）は、
原水となる海水から水蒸気を取り出す蒸発部１２と、前
記水蒸気を取り込み凝縮を行う凝縮部１５とで構成され
ている。

【００１７】蒸発部１２では、水蒸気を透過させつつ液
体や懸濁物質の透過を防止する疎水性多孔質膜１８（以
下ＰＶ膜と称す）によって２つの空間が形成されており
片側の空間となる温海水導入部１３には入排水口が設け
られ加熱された海水（温海水）の導入および排出が可能
となっている。そして他方側となる水蒸気取出部１４
は、温海水導入部１３に沿って複数段に仕切られ（図中
では７段）、隣合う水蒸気取出部１４との間で通流が発
生しないようになっている。こうして複数段に仕切られ
た水蒸気取出部１４からは蒸気送出管２０が個々に引き
出され、後述する水蒸気凝縮部へと接続可能になってい
る。

【００１８】一方凝縮部１５には水蒸気取出部１４と同
段数だけ仕切られた水蒸気凝縮部１７が設けられている
とともに、これら多段に設定された水蒸気凝縮部１７を
貫くように冷却管２４が設けられている。当該冷却管２
４の内部には加熱前の海水（冷海水）の導入が可能とな
っておりその導入方向は、蒸発部１２における温海水の
導入方向と逆方向になっている。なお冷却管２４の外側
には冷却用フィンが複数設けられ、水蒸気取出部１４か
ら蒸気送出管２０を介して送り込まれた水蒸気の凝縮効
率を高められるようになっている。また水蒸気凝縮部１
７には吸引手段となる吸引ポンプ２２が接続されてお
り、当該吸引ポンプ２２を稼働させることで水蒸気取出
部１４側の負圧を個々に設定できるようにしている。な
お本実施の形態ではエネルギ効率向上の目的から吸引ポ
ンプ２２を用いたが、造水効率向上の目的から吸引ポン
プ２２の代わりにブロアを用い、当該ブロアの噴出口を
凝縮部１５側に向け、もって水蒸気取出部１４側を負圧
に設定してもよい。さらに水蒸気凝縮部１７の底部から
は淡水取出パイプ１１Ａが引き出され、凝縮作用によっ
て得た蒸留水を膜モジュール１１外部に取出可能として
いる。

【００１９】図１は実施の形態に係る造水装置の構成を
示す連結説明図である。同図に示すように実施の形態に
係る造水装置１０は、上述した膜モジュール１１（１１
Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）を奇数段（本実施の形態では３
段）設けた構成としている。

【００２０】初段の膜モジュール１１Ａにおける冷却管
２４Ａの導入側（図中上側）には導入管３０が接続さ
れ、造水装置１０の外部に設けられた図示しないタンク
から冷海水を凝縮部１５Ａに導入可能にしている。そし
て冷却管２４Ａの排出側（図中下側）からは海水送出管
２６が引き出され２段目の膜モジュール１１Ｂにおける
温海水導入部１３Ｂの導入側に接続され、続いて温海水
導入部１３Ｂの排出側は３段目の膜モジュール１１Ｃに
おける冷却管２４Ｃの導入側に接続され、第１原水流路
を形成している。そして膜モジュール１１の残部側とな
る初段の膜モジュール１１Ａの温海水導入部１３Ａ、２
段目の膜モジュール１１Ｂの冷却管２４Ｂ、３段目の膜
モジュール１１Ｃの温海水導入部１３Ｃを前述の第１原
水流路と同順に直列接続し第２原水流路を形成する。そ
して第２原水流路の先端となる温海水導入部１３Ａの導
入口と、第１原水流路の終端となる冷却管２４Ｃの排出
口とを接続し造水装置１０を構成する。なお温海水導入
部１３Ａの導入口と冷却管２４Ｃの排出口との間には、
加熱装置２８が接続され通過する海水を加熱可能にして
いる。

【００２１】このように構成された造水装置１０を用
い、海水から淡水を取り出す手順を説明する。まず導入
管３０を用い海水を造水装置１０に導入させると当該海
水は蒸発部１２と凝縮部１５とを交互に通過し、最終段
膜モジュール１１Ｃにおける温海水導入部１３Ｃの排出
側より吐出される。この状態において原水流路の途中に
設けられた加熱装置２８を稼働させると、当該加熱装置
２８を通過する海水の温度が上昇し蒸発部１２と凝縮部
１５との間に温度差が生じるようになる。図３は蒸発部
１２および凝縮部１５における入排水口位置での海水の
温度を示す温度状態図である。すなわち同図に示すよう
に造水装置１０の内部に海水を導入させ加熱装置２８を
稼働させると、初段の膜モジュール１１Ａでは当該膜モ
ジュール１１Ａを２回目に通過する海水が温海水導入部
１３Ａに導入され、新規の（冷却用の）海水が冷却管２
４Ａへと導入される。ここで温海水導入部１３Ａに導入
される海水は前段に設けた加熱装置２８によって加熱さ
れ、新規の海水との温度差が生じるようになっている。

【００２２】膜モジュール１１Ａにおいては、温海水導
入部１３Ａおよび冷却管２４Ａに接する水蒸気取出部１
４と水蒸気凝縮部１７とが複数段に仕切られていること
から、ＰＶ膜１８を介した水蒸気の取り出しは各段によ
って独立して行われる。このため仕切られた部位での温
度勾配を小さくすることができるので水蒸気の取出効率
を高めることができる。なお前述したように複数段に仕
切られた水蒸気凝縮部１７にはそれぞれ吸引ポンプ２２
が設けられており独立した負圧設定が可能となってい
る。このため低温側（温海水導入部１３Ａの排出側）に
向かうほど吸引ポンプ２２の吸引力を高め、温海水導入
部１３Ａの排出側の水蒸気取出部１４ほど負圧に設定し
ていけば、低温側での蒸気圧差の不足を吸引ポンプ２２
による負圧が補うので、水蒸気の取出効率を高めること
ができる。

【００２３】ところでＰＶ膜１８を介した水蒸気の取り
出しは以下のようになる。温海水導入部１３Ａと冷却管
２４Ａとの間に温度差が生じると当該ＰＶ膜１８の前後
に蒸気圧差が発生する（加えて吸引ポンプ２２による負
圧も加わる）。このためＰＶ膜１８の微細孔を透過して
水蒸気が水蒸気取出部１４Ａへと移動する。水蒸気取出
部１４Ａ側に移動した水蒸気は蒸気接続管２０を経由し
て水蒸気凝縮部１７Ａ側へと送り込まれる。そして当該
水蒸気凝縮部１７Ａに水蒸気が達すると当該水蒸気は、
冷却作用をなす冷却管２４Ａによって冷却され、凝縮作
用によって水蒸気凝縮部１７から蒸留水として取り出さ
れる。なお水蒸気の凝縮により温海水導入部１３と冷却
管２４との間で熱交換がなされていくことから両者の相
対温度差は変わらないものの、温海水導入部１３側では
導入口から排出口に進むにつれ海水の温度が低下し、冷
却管２４側では導入口から排出口に進むにつれ海水の温
度が上昇する。

【００２４】初段の膜モジュール１１Ａに導入された温
海水導入部１３Ａ側の海水および冷却管２４Ｂ側の海水
は、初段の膜モジュール１１Ａを通過した後、２段目の
膜モジュール１１Ｂへと導入される。ここで２段目の膜
モジュール１１Ｂでは、温海水導入部１３Ａ側の海水が
冷却管２４Ｂ側へと導入され、冷却管２４Ａ側の海水が
温海水導入部１３Ｂ側へと導入され、両者の間の熱交換
によって初段の膜モジュール１１Ａと同様、蒸留水を取
り出すことができる。そして以降の膜モジュール１１に
おいても温海水導入部１３側と冷却管２４側との間で交
互に熱交換を行っていけば、蒸留水を取り出すことが可
能となる。

【００２５】このように構成された造水装置１０では、
同一膜モジュール１１における蒸発部１２と凝縮部１５
との温度差にて水蒸気が発生し蒸留水が取り出されるた
め、三段に設けた膜モジュール１１全てから蒸留水を取
り出すことができる。そして造水装置１０に導入された
海水はＰＶ膜１８によって膜モジュール１１増設分だけ
水蒸気の取り出しが行われるので造水率を向上させるこ
とができる。なお造水率の上限はＰＶ膜１８の耐久性お
よび造水装置１０の耐腐食性も考慮して５０％程度に設
定するのが望ましく、造水装置１０の構成時は、この数
値に見合うだけの膜モジュール１１の数を設定すればよ
い。

【００２６】ところで図１においては３段に設けられた
膜モジュール１１の蒸発部１２と凝縮部１５との組み合
わせを示したが、この組み合わせ接続例以外にも他の組
み合わせが存在する。図４は膜モジュール１１を３段設
けた際の蒸発部と凝縮部との組み合わせを示した接続例
の説明図である（図１の組み合わせを除く）。なお同図
に示すように膜モジュール１１を３段設け、蒸発部を上
段側から順番に１、２、３とするとそれぞれの連結され
る凝縮部の組み合わせ数は、以下の計算式で表される。

【数１】３！／１！＝３＊２＊１／１＝６（通り）

【００２７】そして発明者は、このように組み合わされ
た蒸発部１２と凝縮部１５との間に加熱装置２８を一箇
所だけ設け（初段の蒸発部の直前）、造水装置１０全体
の簡略化を図るとともに最もエネルギ効率の高い組み合
わせを実験によって確認した。その結果、各膜モジュー
ル１１における蒸発部１２導入側の海水温度から凝縮部
１５導入側の海水温度を減じた値を各膜モジュール１１
毎に加算していくと図１に示した組み合わせの例が、６
通りの組み合わせの中で最も数値が大きくなりエネルギ
効率が最大であることが判明した。なお図１に示した組
み合わせの効果は、３段をこえても変わらないことが確
認されている。

【００２８】図５は膜モジュール１１を偶数段（４段）
設けた造水装置の構成を示す説明図である。同図に示す
ように膜モジュール１１を偶数段に設定した場合では、
第１原水流路と第２原水流路とを接続させようとすると
凝縮部１５Ａと凝縮部１５Ｄとが連続する。このように
膜モジュール１１が偶数段のときは凝縮部１５Ａと凝縮
部１５Ｄとの間に冷却装置３２を設け、蒸発部１２Ｄに
より加熱された凝縮部１５Ｄの海水を冷却させ凝縮部１
５Ａに導入させればよい。なお導入管３０が凝縮部１５
Ａ側に接続されている構成においては、冷却装置３２の
代わりに加熱装置２８が適用されることはいうまでもな
い。

【００２９】なお本実施の形態では、造水装置１０の構
成を蒸発部１２と凝縮部１５との分割したことから、蒸
発部１２におけるＰＶ膜１８の構成を問わない。このた
めＰＶ膜１８の構成をスパイラル方式や積層型等形式と
いうように用途によって方式を自在に設定することがで
きる。一方凝縮部でも冷却管２４の形状を設定するのに
ＰＶ膜１８の影響を考慮しなくてもよいことから、例え
ば冷却管２４のフィン形状を自由に設定することができ
る。

【００３０】また本実施の形態では、導入管３０を凝縮
部１５Ａに接続し冷海水を送り込むこととしたが、導入
管３０を蒸発部１２Ａへと接続し、当該蒸発部へ加熱さ
れた海水を送り込んでもよい。このように造水装置１０
を構成しても本実施の形態と同様の効果を得ることがで
きる。なおこうした造水装置を構成する際には加熱装置
２８の代わりに冷却装置３２を同位置に設ければよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、疎
水性多孔質膜を介して原水から水蒸気を取り出す蒸発部
と、前記水蒸気を取り込むとともに凝縮をなす凝縮部と
からなる膜モジュールを複数設け、初段の膜モジュール
にて前記蒸発部と前記凝縮部とのいずれか一方を選択し
た後は次段の膜モジュールでその反対側を選択しこれを
最終段の膜モジュールまで繰り返して直列に接続し第１
原水流路を形成するとともに、前記膜モジュールの残部
側を前記第１原水流路と同順に直列接続し第２原水流路
を形成し、加熱または冷却手段を介して前記第１原水流
路と前記第２原水流路とを直列に接続したことから、エ
ネルギ効率と造水率とを向上させ淡水の生産性を高める
ことが可能になる。

【００３２】そして前記蒸発部を前記原水流路に沿って
複数段に仕切り、前記蒸発部と同数段だけ仕切られた前
記凝縮部に吸引手段を介して個々に連結するように前記
膜モジュールを構成したことから、仕切られた個々の蒸
発部の負圧度合いを設定することが可能になり、蒸気圧
差の小さい低温側で負圧度合いを大きくすれば淡水の生
産性を一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態に係る造水装置の構成を示す連結説
明図である。

【図２】膜モジュールの構造説明図である。

【図３】蒸発部１２および凝縮部１５における入排水口
位置での海水の温度を示す温度状態図である。

【図４】膜モジュール１１を３段設けた際の蒸発部と凝
縮部との組み合わせを示した接続例の説明図である（図
１の組み合わせを除く）。

【図５】膜モジュール１１を偶数段（４段）設けた造水
装置の構成を示す説明図である。

【図６】透過気化方法の造水原理を示した概念図であ
る。

【符号の説明】

１ 透過気化膜モジュール ２ 温海水室 ３ 冷海水室 ４ 加熱装置 ５ 生産水室 ６ 疎水性多孔質膜（ＰＶ膜） ７ 冷却板 １０ 造水装置 １１ 膜モジュール １２ 蒸発部 １３ 温海水導入部 １４ 水蒸気取出部 １５ 凝縮部 １６ 冷海水導入部 １７ 水蒸気凝縮部 １８ 疎水性多孔質膜（ＰＶ膜） ２０ 蒸気送出管 ２２ 吸引ポンプ ２４ 冷却管 ２６ 海水送出管 ２８ 加熱装置 ３０ 導入管 ３２ 冷却装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 疎水性多孔質膜を介して原水から水蒸気
   を取り出す蒸発部と、前記水蒸気を取り込むとともに凝
   縮をなす凝縮部とからなる膜モジュールを複数設け、初
   段の膜モジュールにて前記蒸発部と前記凝縮部とのいず
   れか一方を選択した後は次段の膜モジュールでその反対
   側を選択しこれを最終段の膜モジュールまで繰り返して
   直列に接続し第１原水流路を形成するとともに、前記膜
   モジュールの残部側を前記第１原水流路と同順に直列接
   続し第２原水流路を形成し、加熱または冷却手段を介し
   て前記第１原水流路と前記第２原水流路とを直列に接続
   したことを特徴とする造水装置。
2. 【請求項２】 前記膜モジュールは奇数段だけ設けられ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の造水装置。
3. 【請求項３】 前記蒸発部を前記原水流路に沿って複数
   段に仕切り、前記蒸発部と同数段だけ仕切られた前記凝
   縮部に吸引手段を介して個々に連結するように前記膜モ
   ジュールを構成したことを特徴とする請求項１または請
   求項２に記載の造水装置。