蒸気圧縮を用いた蒸留法 |
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申请号 | JP2014193618 | 申请日 | 2014-09-24 | 公开(公告)号 | JP2015016472A | 公开(公告)日 | 2015-01-29 |
申请人 | デカ・プロダクツ・リミテッド・パートナーシップ; Deka Products Lp; | 发明人 | BEDNAREK DAVID F; DEMERS JASON A; DUGGAN TIMOTHY P; JACKSON JAMES; LEONARD SCOTT A; MCGILL DAVID W; OWENS KINGSTON; | ||||
摘要 | 【課題】回転可能ハウジングを備えた液体リングポンプを含む蒸気圧縮蒸留による液体の浄化システムを提供する。【解決手段】a)未処理液体を受け入れる流入部と、b)液体を蒸気に変えるために該流入部に結合された蒸発器と、c)蒸発器からの蒸気を集めるためのヘッドチャンバと、d)蒸気を圧縮するための蒸気ポンプであって、i)内部駆動軸と、ii)回転可能ハウジング付き偏心回転子と、を有する蒸気ポンプと、e)圧縮された蒸気を蒸留液体製品に変えるために該蒸気ポンプに連絡している凝縮器と、を備える、液体蒸留システム。【選択図】図1 | ||||||
权利要求 | 本明細書の一部に記載の発明。 |
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说明书全文 | (発明の属する技術分野) 信頼できる上水源を持たない人間の数は莫大な数にのぼる。 たとえば、カナダ国際開発局(Canadian International Development Agency)の報告によると、約12億人が安全な飲料水を得られていない。 複数の公開報告書によると、年当たり何百万人もの人間が水関連の疾患によって死亡しており、その大半が子供である。 活性炭濾過器、塩素処理、低温殺菌、および逆浸透を含む多くの浄水技術が周知である。 これらの技術の多くは、水質のばらつきによる影響が大きいほか、バクテリア、ビールス、有機物、砒素、鉛、水銀、および農薬など、発展途上世界などの給水に共通的な各種の汚染物質に対応していない。 これらのシステムのいくつかは、フィルタや化学薬品などの消耗品の供給を必要とする。 さらに、これらの技術のいくつかは、主要な基幹施設と高度な訓練を受けた操作者との両方を必要とする大規模な集中型水システムにのみ適切である。 消耗品および常時保守を必要とせず、より小さな分散型規模で、水源にかかわらず信頼できる上水を生産できることは、特に発展途上世界において非常に望ましい。 蒸気圧縮蒸留による水の浄化は周知であり、これらの問題の多くを解決することができる。 ただし、発展途上世界の多くの地域においては、財源が乏しく、技術資産が限られ、人口密度が低いことから大規模な集中型水システムの構築は実現不可能であり、蒸気圧縮蒸留システムを運転するための適切かつ手頃で信頼できる電力の可用性も限られており、またこのようなシステムを適切に維持することが難しい。 このような状況においては、効率および生産能力の向上と、システムの運転に必要な電力量と保守量の低減とが可能な、改良された蒸気圧縮蒸留システムおよび関連の構成要素が解決策となりうるであろう。 (発明の要旨) 別の一代替実施態様は、蒸留器ヘッドの蒸気空間内の回転自在ハウジングに液体リングポンプを収容した蒸留装置を有する。 システムの複数の熱源をマルチライン熱交換器に通すことによって、蒸発工程中のエネルギ効率を最大化することができる。 蒸発器/凝縮器のヘッドチャンバから逆洗ラインを取り入れ部に導くことによって、取り入れ部の独特のフリップフィルタの汚染を防止するとともに、熱を熱交換網に加えうる。 さらに、ミストの除去方法を液体リングポンプ部に組み込むことによって、蒸気に飛沫同伴して凝縮器に侵入する汚染液滴を除去し、浄水製品の汚染を防止しうる。 別の具体的実施態様は、液体リングポンプと回転自在ハウジングとを備えた蒸留装置を有し、液体リングポンプと、モータと、回転子とは単一の連続軸の周りを回転し、ハウジングは第2の軸によって回転自在に支持される。 本蒸留装置は、内燃機関または外燃機関と、下部液溜め内の液体を液体リングポンプのチャンバに吸い込むサイフォンポンプとをさらに有する。 結果として、高効率で、アクセスおよび保守が容易で、比較的単純かつ安価な液体浄化用システムが提供される。 さらに別の実施態様は、水から汚染物質を除去する方法であって、電力容量を発生させるために、燃料を燃やすためのバーナを備えた熱サイクルエンジンによってジェネレータを駆動する工程と、ジェネレータの電力容量の少なくとも一部を使用して浄化装置に電力を供給する工程と、原水を浄化装置の流入部に供給する工程と、浄水に必要な電力量を減らすために、熱サイクルエンジンの熱出力を伝達して熱を浄化装置に供給する工程とを含む。 さらに他の複数の実施態様は、バーナの排ガスから原水に熱を伝達する工程と、熱損失を減らすために浄化装置を囲むエンクロージャを加熱する工程と、未処理水を蒸発させる工程と、蒸発水を凝縮して蒸留製品にする工程のうちの1つまたはすべてをさらに含む。 別の実施態様は背圧調整器を使用し、この背圧調整器はヒンジで取り付けられた、閉位置を有するアームと、加圧導管に接続されているポートを覆うための形状を有する可動ストップとを有し、可動ストップはアームに取り付けられた保持器によって保持され、アームが閉位置にあるときはポートの隣接位置にある。 アームは、圧力導管が設定値を超えると閉位置から離れ、導管内の圧力が設定値未満のときは閉位置にある。 本発明の前記特徴は、添付図面と共に以下の詳細説明を参照することによってより容易に理解されるであろう。 これらの図のうち、 本システムのさらなる利点および具体的側面は、添付図面および以下の好適な実施形態の詳細説明からより容易に確認されるであろう。 (具体的実施形態の詳細な説明) ここで使用される「浄化」という用語は、1つまたは複数の汚染物質の濃度を指定レベル以下に実質的に下げること、あるいは1つまたは複数の汚染物質の濃度を実質的に変えて指定範囲内にすることを指す。 ここで使用される「指定レベル」という用語は、特定の用途に対してユーザが設定した所望の濃度レベルをいう。 指定レベルの一例として、工業用または商業用プロセスを実施するために、流体内の汚染物質レベルを制限することが挙げられる。 一例は、化学反応(たとえば重合)において工業的に意味のある収量が得られるレベルにまで、溶剤または反応物質内の汚染物質レベルを排除することである。 指定レベルの別の例として、政府機関または政府間機関が安全または健康上の理由で規定した、流体中の一定の汚染物質レベルが挙げられる。 例として、飲料用または特定の健康または医療用の水に含まれる1つまたは複数の汚染物質の濃度、世界保健機関または米国環境保護庁などの組織によって規定される濃度レベルが含まれうる。 本発明の可能な一実施形態による総合システムの概念的流れ図を図1Aに示し、液体の流路を矢印で示す。 このような一実施形態において、本システムを通過する液体は、取り入れ部00から交換器400に流れ込むが、交換器400は、凝縮器200と、ヘッド300と、内燃機関または外燃機関などの動力源からの排熱(図示せず)とを含む複数の熱源の少なくとも1つから熱の供給を受ける。 熱交換器400を通過した液体は、サンプ500に流れ込み、さらに凝縮器200と熱接触しているコア600に流れ込む。 コア600において、液体は部分的に蒸発する。 蒸気の経路は、コア600からヘッド300に入り、ヘッド300は圧縮器100に連絡しており、ここから凝縮器200に進む。 蒸気が凝縮した後、液体は凝縮器200から熱交換器400を通り、最後に排出領域700に入り、最終的な蒸留製品として排出される。 電源800は、システム全体に電力を供給するために使用される。 電源800は、圧縮器100が液体リングポンプなどの水蒸気ポンプの場合は特に、圧縮器100の駆動に使用されるモータ150(図示せず)に結合してもよい。 電源800は、図1Aに示すシステムの他の要素に電気エネルギを供給するためにも使用しうる。 電源800は、たとえば、電気のコンセント、標準の内燃(IC)ジェネレータ、または外燃ジェネレータでもよい。 ICジェネレータおよび外燃ジェネレータは、図1Bに示すように電力と熱の両エネルギを発生させるので都合がよく、この図においてエンジン802は機械的エネルギと熱エネルギとの両方を発生させる。 エンジン802は、内燃機関または外燃機関のどちらでもよい。 永久磁石ブラシレスモータなどのジェネレータ804は、エンジン802のクランク軸に結合され、エンジン802が発生した機械的エネルギを、電力806などの電気エネルギに変換する。 エンジン802はまた、排ガス808および熱810も発生する。 エンジン802によって排ガス808および熱810の形態で発生された熱エネルギは、熱をシステムに供給するために使用しうるので都合がよい。 あるいは、ジェネレータ800からの熱を再捕集するために、蒸留器の個々の構成要素と外部ハウジングとの間に存在する、蒸留器を囲む断熱空洞にエンジンの排気を導いてもよい。 ジェネレータこのような実施形態において、排ガスはフィン付き熱交換器を吹き抜けて、蒸発器600に入る原液体を加熱する。 再び図1Aにおいて、電源800は、スターリングエンジンジェネレータなどの外燃ジェネレータが好ましい。 スターリングエンジンは、熱エネルギ出力を排ガスおよび放射熱の形態で発生する。 スターリングエンジンの排ガスは一般に100〜300℃と比較的高温であり、スターリングエンジンが発生する熱エネルギの10〜20%に相当する。 スターリングエンジンが発生する排気は一般にクリーンな排気であり、主成分はCO 2 、N 2 、および水である。 スターリングエンジンが発生した熱をエンジン周囲の環境に放出するために、スターリングエンジンの冷却器を使用しうる。 ジェネレータによって電力に変換される動力をスターリングサイクルエンジンなどの外燃機関を使用して供給する方法は、2003年3月25日発行の米国特許第6,536,207号(ケーメン(Kamen)ら)に詳述されており、この内容を本願明細書に引用するものとする。 スターリングサイクルエンジンの好適な実施形態に関する付加情報については、2000年3月2日提出の「スターリングエンジンの熱系統の改良(Stirling Engine Thermal System Improvements)」と題する同時係属中の米国特許出願第09/517,245号、および2000年3月2日提出の「補助電源装置(Auxiliary Power Unit)」と題する同時係属中の米国特許出願第09/517,808号を参照されたい。 なお、これらの内容の全体を本願明細書に引用したものとする。 蒸留する液体、好ましくは水、の前処理を行ってもよく、この場合、前処理は取り入れ部00の前または内部で行いうる。 前処理操作として、グロスフィルタリングと、ポリリン酸塩、ポリアセテート、有機酸、またはポリアスパルテートなどの化学添加物を用いた処理と、振動磁場または電流などの電気化学的処理と、脱気と、紫外線処理とをすべて、またはこのうちのいずれかを含んでもよい。 添加物は液体の形態で、標準の隔膜ポンプまたは圧電隔膜ポンプを含む、ローラポンプまたは脈動ポンプなどの連続ポンピング機構を使用して、流入液体流に追加してもよい。 あるいは、添加物を半連続機構によって追加してもよい。 たとえば、シリンジポンプを使用する場合は、再充填サイクルが必要になるであろうし、バッチポンピングシステムを使用する場合は、小量の添加物をシステムの外部にある保持ボリュームまたはタンクに汲み入れ、そこで添加物と液体とが均一に混ざった後に、液体がシステムに流れ込むようにする。 また、ユーザが規定量の添加物を、たとえば、浄化する液体を入れたバケツに単に滴下しうることも想定される。 液体添加物は、全寿命に匹敵する量を装填してもよいし(すなわち、機械の全寿命にわたって消耗品がない)、または処理可能量を装填してもよく、後者の場合は消費後に再装填が必要である。 添加物は、固体の形態で追加することもでき、このような添加物を徐放性素地に埋め込んで、取り入れ部00のフロースルーチャネルに挿入してもよい。 この具体的実施形態においては、ユーザによる補充用添加物の定期的挿入が必要になるであろう。 さらに別の実施形態においては、粉末形態の添加物をバッチ方式で追加することも可能である。 この場合は、上記の液体添加物を追加するバッチ方式と同様に、添加物を均一に混ぜ合わせるために、浄化する水が入った外部貯水槽に粉末を、たとえば錠剤形態で、追加する。 蒸留製品、好ましくは水、の後処理を行ってもよく、この場合、後処理は外部流出領域(図示せず)の内部で行うことが好ましい。 後処理操作は、砂糖を使用した甘味添加物、酸味用の酸、およびミネラルなどの風味添加物を含んでもよい。 他の添加物として、栄養素、ビタミン、クレアチニンなどの安定化たんぱく質、脂肪、および砂糖をさらに追加してもよい。 このような添加物は、液体または固体の形態で追加してもよい。 つまり、流出液体が流れる場所に徐放性タブレットとして追加しても、バッチシステムの場合のように、粉末を外部貯液槽に追加してもよい。 あるいは、別個の収液槽または容器の内部被膜を介して、たとえば、接触時の溶解または浸出によって、添加物を流出液体に加えてもよい。 このような実施形態においては、浄化された液体中の添加物の有無を検出できることが好ましい。 本発明の実施形態による検出方式は、pH分析、導電率および硬度の分析、または他の標準的な電気を用いた分析を含む。 このような検出方式では、添加物のレベル/量が事前に設定されたレベルより下がったとき、または検出不能になったときに信号機構が始動されるようにすれば、必要に応じて添加物の補充が可能になる。 別の実施形態においては、たとえば水の硬度などの液体の特性を流出部で監視し、適切な添加物の追加が必要であることを信号で通知するインジケータ機構に結合してもよい。 さらに別の実施形態においては、たとえば、電流または放電方式を使用して組織的にオゾンを発生し、このオゾンを流出製品に加えることによって味をよくする。 あるいは、空気をHEPAフィルタを介して注入し、流出液体全体を泡立たせることによって、浄化された最終製品の美味性を向上する。 他の実施形態は、核酸、抗原、およびバクテリアなどの生物有機体を検出する手段を含みうることを想定している。 このような検出手段の例として、当該技術分野では公知であり、商業化が可能なナノスケール化学および生化学が挙げられる。 また、このような手段の多くを、上記のように、浄水製品内の栄養素および他の添加物の有無を監視するために使用可能である。 別の実施形態においては、浄水製品の維持を補助するために、浄化後に、たとえば貯水樽または他の容器中で紫外線処理を用いてもよい。 別の具体的実施形態においては、CO 2含有量が高い排気を発生するスターリングエンジンジェネレータを、システム全体に電力を供給するための電源800として用いる。 このような実施形態においては、スターリングエンジンからの排気を集めて取り入れ部00に戻し、前処理の一手段として、浄化する水を酸性化するために用いる。 流入水の酸性化は、排気中のCO 2の強制溶解(圧力下)によるものであり、この酸性化によって、システム中に発生しうる石灰の堆積などの汚れを減らしうる。 あるいは、後処理工程での酸性化手段として、CO 2の排気を浄水製品に導いてもよい。 本発明の実施形態に従って提供されるシステムは、基本的な機能構成要素を2つ有するが、これらの構成要素は単一の統合ユニット内に組み合わせることも、局所的浄水のために、本願明細書に記載されているように、それぞれの単独運転および構成要素間の結合を可能にすることも可能である。 図2に示す本発明の一実施形態においては、蒸気圧縮による水蒸留装置2012に電力を供給するために電源装置2010がケーブル2014を介して電気的に結合され、電源装置からの排熱を水蒸留装置に運ぶために電源装置からの排ガスが排気ダクト2016を介して結合されている。 熱サイクルエンジンは、熱力学第二法則によって、部分捕集率、すなわちカルノー効率(T H −T C )/T H 、に制限される。 ここでT HおよびT Cは、利用可能な熱源の温度および周囲の熱背景の温度である。 熱エンジンサイクルの圧縮フェーズ中は、熱をシステムから排出する必要があるが、完全には可逆的でないので、常に過剰な排熱が存在することになる。 さらに、より重要な点であるが、熱エンジンサイクルの膨張フェーズ中に供給される全ての熱が作動流体に結合されるわけではない。 ここでもまた、他の目的に利用すると都合のよい排熱が発生する。 バーナの排気中の熱力学的に利用可能な熱(すなわち、周囲環境より高温のガス)の合計は、一般に全入力の10%台である。 1キロワット台の電力を供給する電源装置の場合、200℃近辺の温度の排ガス流中で利用しうる熱は700W程度である。 本発明の複数の実施形態によると、エンジン駆動ジェネレータが発生した排熱および電力を人間の飲料水の浄化に使用することによって、未処理水と必要な燃料のみを供給するだけでよい統合システムを提供できるので都合がよい。 さらに、このような方法を使用して酸化剤(一般に空気であり、本願明細書および添付請求項において「空気」と称するが、これに限定されるものではない)をバーナ経由で効率的に注入することによって燃焼させる場合、スターリングサイクルエンジンなどの外燃機関は熱効率が高く、汚染物質の排出が低いうえに、ヒータヘッドを離れた高温の排熱の回収が可能である。 多くの用途において、規定の目標熱効率を達成するために、燃焼前に、空気をほぼヒータヘッドの温度に達するまで予熱する。 ただし、予熱された高温空気は、高い熱効率を達成するには望ましいが、燃料と空気との予混合が困難であり、かつ火炎温度を制限するために大量の過剰空気を必要とするので、低排出目標の達成を難しくする。 熱機関の高効率かつ低排出運転を達成するためにこれらの問題点の克服を目指した技術は、たとえば、2000年5月16日発行の米国特許第6,062,023号(ケーウィン(Kerwin)ら)に記載されており、この内容を本願明細書に引用したものとする。 さらに、外燃機関は、特定の局所的状況の存在下で最も入手しやすい燃料など、さまざまな種類の燃料の使用を促すが、本発明の教示内容はこのようなエンジンに限定されるものではなく、内燃機関もまた本発明の範囲内である。 ただし、内燃機関は排出ガスが一般に汚染されているので問題が多いことから、外燃機関の使用が好ましい。 電源装置2010の一実施形態を図3に図式的に示す。 電源装置2010は、ジェネレータ2102に結合された外燃機関2101を含む。 好適な一実施形態において、外燃機関2101はスターリングサイクルエンジンである。 スターリングサイクルエンジン2101の運転中の出力は、機械的エネルギと残留熱エネルギとの両方を含む。 バーナ2104での燃料の燃焼によって発生した熱は、スターリングサイクルエンジン2101に入力として与えられ、部分的に機械的エネルギに変換される。 変換されない熱または熱エネルギは、バーナ2104で放出されたエネルギの65〜85%を占める。 この熱は、電源装置2110の周囲の局所的環境を加熱するために2つの形態で利用することができる。 つまり、1つは、バーナ2104からの小さな排ガス流であり、もう1つは、スターリングエンジンの冷却器2103からのはるかに大きな排熱流である。 電源装置2110は、補助電源装置(APU)と称されることもある。 これらの排ガスは一般に100〜300℃と比較的高温であり、スターリングエンジンが発生する熱エネルギの10〜20%に相当する。 冷却器は、この熱エネルギの80〜90%を周囲温度より10〜20℃高い温度で排出する。 熱は水の流れに放出されるか、または放熱器2107を介して空気中に放出されるかのどちらかであり、後者の方がより一般的である。 スターリングサイクルエンジン2101は、電源装置2010の運搬が可能であるようなサイズであることが好ましい。 図3に示すように、スターリングエンジン2101は、バーナ2104などの熱源から直接駆動される。 バーナ2104は燃料を燃やすことによって、高温の排ガスを発生し、この排ガスによってスターリングエンジン2101を駆動する。 バーナ制御装置2109は、バーナ2104と燃料容器2110とに結合されている。 バーナ制御装置2109は、燃料容器2110からバーナ2104に燃料を供給する。 バーナ制御装置2109はまた、ほぼ完全燃焼を確実にするために都合のよい一定量の空気をバーナ2104に送り込む。 バーナ2104が燃やす燃料は、プロパンなど、クリーンに燃える市販の燃料が好ましい。 クリーンに燃える燃料とは、汚染物質を多量に含まない燃料であり、汚染物質として最も重要なものは硫黄である。 天然ガス、エタン、プロパン、ブタン、エタノール、メタノール、および液化石油ガス(「LPG」)は、汚染物質が数パーセントに限定されている場合は、どれもきれいに燃える燃料である。 市販されているプロパン燃料の一例は、自動車技術者協会によって規定された工業等級でいうとHD−5であり、バーンゾマティック(Bernzomatic)社から入手可能である。 本発明の実施形態によるスターリングエンジン2101およびバーナ2104は、以下により詳しく説明するように、ほぼ完全燃焼の実現によって高効率と低排出とをもたらす。 高効率および低排出という特性は、電源装置2010の屋内使用を可能にするので好都合である。 ジェネレータ2102は、スターリングエンジン2101のクランク軸(図示せず)に結合されている。 ジェネレータという用語は、機械的エネルギを電気エネルギに変換する発電機、または電気エネルギを機械的エネルギに変換するモータなどの電気機械の類を包含することは、当業者は理解されているはずである。 ジェネレータ2102は、永久磁石ブラシレスモータであることが好ましい。 再充電可能な電池2113は、電源装置2010に起動電力を供給するほか、直流(「DC」)電力をDC電力出力部2112に供給する。 さらに別の一実施形態においては、APU2010は、さらに交流(「AC」)電力をAC電力出力部2114に供給すると都合がよい。 電池2113が発生したDC電力をAC電力に変換するために、インバータ2116が電池2113に結合されている。 図3に示す実施形態においては電池2113、インバータ2116、およびAC電力出力部2114がエンクロージャ2120内部に配置されている。 次に、電源装置2010の動作によって発生した排ガスの利用について、図4の本発明の実施形態の図式的描写を参照しながら説明する。 バーナの排気は、番号2012によってその全体が示されている浄化装置のエンクロージャ2504に熱導管2016経由で導かれる。 熱導管2016は、プラスチック製ホース、または周囲に断熱材を施した波型金属製ホースが好ましいが、電源装置2010からの排熱を浄化装置2012に運ぶあらゆる手段が本発明の範囲に含まれる。 矢印2502で示されている排ガスは、フィン付き熱交換器2506を吹き抜けることによって、蒸留蒸発器2510に向かって移動している原水流2508を加熱する。 断熱エンクロージャ2504によって囲まれている容積を満たす高温ガス2512によって、蒸留器系からの熱損失は基本的に皆無になるが、これは断熱空洞内のガスの温度が蒸留器自体の表面2514より高いからである。 このように、蒸留器から周囲環境に流れる熱がほぼ皆無であることによって、容量が10ガロン/時間の蒸留器の場合、75W台の損失が償われる。 高温の排ガスを浄化装置2012に結合するホース2016の接続がマイクロスイッチ2518によって検知されので、高温ガスの流入によって本装置の運転を開始しうる。 本発明の複数の代替実施形態によると、排ガス流2502への熱の追加は、ホストバーナ(図示せず)の追加によるものであっても、電力を使用したオーム加熱であっても、本発明の範囲内である。 システムの初期始動中に電源装置2010が駆動され、電力と高温排気とが供給される。 フィン付き熱交換器2506の初期温度は、排気の含有水分の露点未満であり、排気は一次燃焼製品として水を含んでいるので、浄化装置2012のウォームアップは大幅に加速される。 水は熱交換器のフィン上に凝縮するので、この水分の気化熱をすべて原水の加熱に利用できる。 この気化熱は、蒸留器空洞内の高温ガスの対流によって、フィンの加熱を補完する。 対流によるフィンの加熱は、フィンが排気の露点に達した後も続く。 本発明の他の複数の実施形態によると、冷却目的のために浄化装置から電源装置2010に水を流すことによって、電源装置2010と浄化装置2012とをさらに統合しうる。 冷却のために原水を使用すると、水が未処理であるための問題が起きる。 一方、製品水を使用する場合は、浄化装置が十分な運転条件に暖まる前に電源装置を冷却できるようにするためにシステムがより複雑になる。 本発明のいくつかの具体的実施形態は、基本設計の液体リングポンプに比べ、特に摩擦損失の低減による総合エネルギ効率の向上という点において改良しうる。 摩擦損失を最大限減らしながら、設計の単純さと製造価格対性能比とを維持する回転自在ハウジングを有する本発明の好適な一実施形態を図5A〜5Dに示す。 図5Aからわかるように、固定子9は、回転子8に対して静止しており、取り入れ部7および排出部6を含む。 水蒸気は圧力P 1で引き込まれ、回転子のチャンバ3に進む。 回転子8は、回転ハウジングおよび液体リングポンプの中心である中心軸Zからずれている。 回転子軸受16を有する中心軸14の回りを回転子8が回転すると、チャンバ3の有効容積が減る。 この結果、水蒸気は、回転経路に沿って圧力P 2に圧縮されながら、排出部6に運ばれ、凝縮器200に送られる。 摩擦によるエネルギ損失を減らすために、回転可能ハウジング(図示せず)は液体リングポンプ中の液体リングと一緒に回転することが好ましい。 固定子9は、図5Bおよび図5Cに見られるように、流入領域および流出領域に支持構造26を有する。 図5Bおよび図5Cに示す固定子9の上面図では、支持構造26の下に回転子8の個々の翼17が見られ、中心軸からの回転子8の偏心配置も見られる。 液体リングポンプのこの具体的実施形態は、送りの向きとポートの向きとがどちらも軸方向であるが、運転中の向きは垂直、水平、または他の向きにしてもよい。 図5Dは、この実施形態の別の図を示す。 本発明による液体リングポンプは、かなり狭い範囲の流入圧および流出圧で運転されるように設計することが好ましく、一般に、システムは5〜15psigの範囲で運転される。 水蒸気を図5A〜5Dのチャンバ3から放出するために、逆止弁を用いてシステム圧力を調整してもよい。 システム性能の改良は、回転子軸を中心とした特定の回転角度に排出ポートの出口6を配置することによって行うことが好ましく、この特定の角度というのは、蒸留器の運転に望ましい圧力上昇に対応する角度である。 システム圧力を調整するための特定のポート開口角度の一実施形態を図5Bに示す。 回転子軸を中心とした回転角度約90度に出口6を配置することによって、水蒸気をチャンバ3から逃すようにしてある。 固定子軸を中心とした出口6の回転角度を大きくすると、システム圧力が上がり、ポンプのスループットが下がる。 一方、固定子軸を中心とした出口6の回転角度を小さくすると、システム圧力が下がり、ポンプのスループットが増える。 システム圧力を最適化するように出口6の配置を選択することによって、ポンプの効率を向上させることができる。 さらに、システム圧力を維持するように出口6を配置すると、チャンバ3の排出ポートに逆止弁が不要になる。 この結果、システムの複雑度を低減でき、より単純でより費用効果の高い圧縮器になる。 液体リングポンプの別の実施形態を図6Aに概略図として示す。 図6Aの圧縮器100は、単一の2チャネル固定子/本体9を囲む回転可能な外部ハウジング10と回転子8とを有する液体リングポンプの可能な一例であり、回転可能なハウジング10と静止固定子/本体9との間のシール面は円筒状である。 2チャネル固定子/本体9は、ポンプ100のチャンバ12に対して静止状態を保つとともに、回転子8と回転可能ハウジング10に対しても静止状態を保ち、取り入れ部7と排出部6とを備える。 蒸気は圧力P 1で引き込まれ、取り入れオリフィス5を通り抜ける。 回転子8が静止固定子9の周囲を回転し、回転子8の取り入れ穴4が取り入れオリフィス5の位置にくると、水蒸気が取り入れ穴4を通り抜けて回転子チャンバ3に入る。 回転子8は中心軸Zからずれているので、回転子8 図7Aに示す液体リングポンプの別の代替実施形態では、回転可能ハウジング10と固定子9との間の界面が円筒形ではなく、円錐形である。 この実施形態において、回転子の回転可能ハウジング10を回転子8と共に回転させるために、回転子の駆動軸14の一端15が軸受16の上に位置している。 取り入れ部7と排出部6、および対応する取り入れオリフィス5と排出オリフィス1は、回転子8および回転子ハウジング10に対して静止状態を保つ。 また、静止部分6および7と回転子8との間に円錐形シールまたは軸シール13のどちらかを設けてもよい。 図7Bにおいて最も明らかな円錐形の実施形態においては、漏れを防ぐために、シール13によって回転子8の取り入れオリフィス5が排出オリフィス1から隔てられている。 図5A〜5D(上記参照)を参照しながら説明した液体リングポンプの好適な実施形態においては、送りの向きとポートの向きとがどちらも軸方向であったのに対し、図6および図7に示す液体リングポンプは、送りの向きが軸方向であり、ポートの向きが半径方向である。 運転中、性能を最適化するために、圧縮器内の液体リングの深さを測定することが望ましい場合もある。 本願明細書に開示されている複数の実施形態においては、液体リングポンプのハウジング10はポンプ内の液体リングと共に回転し、この液体の温度は一般に約110℃である。 リングの深さを測定する方法として、超音波、レーダ、フロート、流体伝導率、および光学センサの使用など、通常の方法のいずれか1つが挙げられる。 回転ハウジングが複雑であることから、この測定のための好適な一実施形態として、コンデンサ内の液体の深さが変わるとコンデンサの静電容量が変わる容量性センサの使用が挙げられる。 図8に示すように、円板形状の静電容量センサ板110を回転ハウジング10の底部に搭載し、回転ハウジング10の底面10Aから静電容量センサ板110までの距離と回転子8の底面8Aから静電容量センサ板110まで距離とを等しくする。 こうして、ハウジング10と、回転子8と、静電容量センサ110とによってコンデンサを画定する。 静電容量センサ110から回転ハウジング軸53内の通路53Aを通るリード線112によって、コンデンサは鉄心変圧器、好ましくはフェライト鉄心変圧器(図示せず)、の二次113に接続される。 一実施形態において、二次113はコンデンサ板と同じ速度で回転し、フェライト鉄心変圧器の一次と誘導伝達の状態にある。 一次巻線114は静止巻線であり、液位測定コンデンサとやり取りする信号を変圧器経由で伝達することによって、回転位置から静止位置への深さ情報の伝達を可能にしている。 変圧器の二次のインダクタンス(L)とのコンデンサ(C)のLC共振を求めることによって、静電容量を測定する。 好適な一実施形態においては、LC発振回路を構成し、静電容量の尺度として発振周波数を用いる。 あるいは、本発明による別の具体的実施形態においては、圧縮器100の液体リングポンプの代わりに、渦流ブロワを使用することも想定しうる。 液体リングポンプの代わりに使用可能な渦流ブロワの一例として、市販されているギャスト(GAST)社製REGE 汚染された液滴が蒸気に飛沫同伴して凝縮器200に運び込まれるのを防ぐために、たとえば図9の代替実施形態に示すようなポンプ100を設計しうる。 このような実施形態において、液体リングポンプは蒸発器/凝縮器のヘッド空間内部にあり、回転ハウジング10の回転によってミストが除去される。 つまり、回転によってサイクロン効果が生まれ、ミストおよび水滴が遠心力によって飛ばされ、蒸留器のハウジングに衝突してサンプ内の水に流れ落ちる。 また、回転ハウジング10と固定ハウジング25との間の環状空間における蒸気の循環および回転を促進するために、回転ハウジング10の外側から延在するフィン18を設けてもよい。 凝縮器200への蒸気の通路として、蒸気排出ライン22が設けられている。 好適な一実施形態においては、図10に示すように、圧縮器/ポンプ100を駆動するために、モータなどのアクチュエータ150をさらに設けてもよい。 モータ150は、電源800(図1Aに図示)から電力の供給を受ける。 図10および図11に示す具体的実施形態において、モータ回転子/磁石37はシステムの圧力・流体境界内に気密密閉され、モータケーシング27とモータ固定子/巻線38とは、主圧力システムエンベロープの外側に位置する。 単一の連続軸14は、モータ150からポンプ100までの長さにわたり、モータの回転子37とポンプの回転子8との回転を可能にするために、連続軸14の周囲に軸受16が配置されている。 気密密閉されたモータと連続軸との使用によって、圧力境界の軸貫通部の密閉を不要にしている。 また、モータ固定子38の周囲を循環する液体取り入れライン39(以下の図14Aを参照)と、周囲を満たす蒸気とによってモータを一定温度に維持する。 したがって、モータが発生した熱がシステムに伝わるので、温度維持に必要な総熱入力が減る。 一実施形態において、モータ150は蒸気中および水中で作動するように設計されたタイプのモータであるので、軸継手および機械的シールが不要であり、よって機械的構成要素の複雑度および抵抗が減り、同時にモータの電力損失がより良く償われる。 このような実施形態において、モータ回転子37(図10参照)は積層構成になっている。 防錆のために、各層板を鋼鉄製にし、プラズマコーティング、シリコーン被膜、粉体塗装によって保護してもよく、または各層板と磁石とをニッケルめっきしてもよい。 より好適な一実施形態において、モータ回転子37は、純鉄またはステンレス鋼などの固体材料の回転子であり、たとえば、446ステンレス鋼などの高クロム鋼の回転子である。 鉄製または鋼製の回転子37と磁石37Aとをニッケルめっきしてもよい。 純鉄回転子は、最良の磁気特性を有し、積層回転子よりトルクが向上する。 あるいは、固体ステンレス鋼の回転子とニッケルめっきした磁石とを使用してもよい。 ステンレス鋼はクロム含有量が高く、酸化クロムの被膜が回転子37の表面に形成され、回転子の鉄成分の錆が防止されることが好ましい。 純鉄製の回転子と同じく、ステンレス鋼製の回転子もまた、積層構成の回転子よりトルクが向上する。 さらに別の実施形態においては、クロム含有量が高いステンレス鋼製の回転子を不動態化することによって表面の鉄を除去し、防食を強化するために厚い酸化クロム被膜を形成してもよい。 耐食性を助けるために、他の塗布皮膜を使用してもよい。 また、ニッケルめっきした磁石を曲面磁石にすることによって、さらにモータのトルク向上と製造コストの低減とを図ってもよい。 図10に示すように、モータハウジング27はモータ150とモータ固定子/巻線38とを収容する。 モータケーシング28は、モータ回転子37と、モータ磁石37Aと、モータおよびポンプ回転子の連続駆動軸14とをシステムの流体/圧力エンベロープ内に密閉する。 固定ハウジング25は、非回転弁板33と、複数の回転子翼17、複数の回転子軸受16、回転ハウジング10内を回転する、一般に水である液体リング19(図6Aまたは図9を参照)を有するポンプ回転子8とを封じ込める。 外部ハウジング25上の放出口(図示せず)は、液体リングポンプの静止ハウジングの過充填を防止する。 ある液位の液体を収容する下部液溜め30は、放出/充填流体ライン(図示せず)に接続され、回転ハウジング軸53の周囲の回転ハウジング軸受52とサイフォンポンプ32とを収容する。 サイフォンポンプ32は液体、好ましくは水、を下部液溜め31からサイフォンポンプライン35に導き、さらにサイフォン供給ライン36を通じてチャンバ12に導く。 回転子8および液体リング19が回転すると、遠心力によって液滴20が外方向に飛ばされ、液体リングのオーバフロー開口部(図示せず)を通って固定ハウジング25にぶつかり、固定ハウジングの壁面25を流れ落ちて下部液溜め30に戻る。 図12Aは、本発明の一実施形態による外部固定ハウジング25、外部モータハウジング27、排出マニホルド6およびおよび取り入れマニホルド7、およびモータケーシング28を示す。 図12Bは、図12Aに示す実施形態の断面図である。 外部モータハウジング27、外部ハウジング25、および下部液溜め30のほか、回転ハウジングの軸受52が見られる。 また、モータとモータ回転子37、モータ固定子38、単一の連続回転子軸14、および回転子翼17も見える。 同様に、図12Cは、図12Aおよび図12Bに示す実施形態の断面図を示すが、断面が異なる。 この図では、下部液溜め30内のサイフォンポンプ32と、サイフォンポンプライン35と、サイフォン供給ライン36と、その接続先のチャンバ12とを容易に見ることができる。 サイフォンポンプ32の詳細図は、下部液溜め30の断面図である図13に見られる。 図13は下部液溜め30を示し、この図には、回転ハウジング軸受52およびサイフォンポンプ32、サイフォンポンプライン35、サイフォン供給ライン36、およびチャンバ12の断面図が見られる。 運転中、サイフォンポンプ32は下部液溜め30から水を引き込み、この水をサイフォンポンプライン35を通じてサイフォン供給ライン36に汲み上げることによって、チャンバ12に戻す。 図10において、流体を下部液溜め30からチャンバ12に移す本発明の複数の実施形態において、下部液溜め30に1つまたは複数のバッフルを使用してもよく、この場合は外部の静止ハウジング25に取り付けることが好ましい。 バッフルは、放射状の構成が好ましく、ハウジング10の回転によって引き起こされる流体の流れを乱すことによってサイフォンポンプ32の吸い上げ低下を防止し、より良い吸い上げ流を維持するとともに、吸い上げが失われた場合には呼び水を可能にする。 本発明の別の具体的実施形態は、システムの総合エネルギ効率を向上するように設計されており、図14Aに示されている。 この具体的実施形態によるシステムは、ポンプの取り入れ部00を通り、さらに交換器400を通って流れる低温液体取り入れライン39を有する。 ポンプ00は、一般に隔膜容積型ポンプであり、システムが加圧されていないとき、つまりシステム内のPが外部のPに等しいときに自吸する。 好適な一実施形態において、ポンプ00は、始動時にポンプ00の吸い上げを助けるループフィードバック構成と通気孔01とを有してもよく、より具体的には、原液ホースが液体源容器から外された場合など、吸い上げが失われたときに圧力をかけて運転中のシステムの吸い上げを再開させるためのループフィードバック構成を有してもよい。 交換器400からの取り入れラインをモータ150の周囲の冷却ループに続け、さらにコア蒸発器/凝縮器600につなげてもよい。 ここで、凝縮器200は上部コア板48と下部コア板50とを有する。 コア蒸発器/凝縮器600内に複数の平行管49を設けてもよく、平行管49は一般に銅ニッケル合金製または他の熱伝達可能材料製とし、コア管49をヘッド300に連絡するためのヘッドマニホルド開口部56と、管49をサンプ500に連絡するためのサンプマニホルド開口部55とを有する。 コア管49は、蒸発/凝縮サイクルにおいて蒸発熱を伝達する熱交換面である。 管の外側の凝縮蒸気と管の内側の蒸発水との間の熱交換率は、生産比率および効率の主要因である。 熱交換面の熱抵抗が低ければ、熱交換が向上し、生産量および効率が増大する。 凝縮面に少しでも空気がぶつかると、この空気が断熱体となって熱の伝達を阻む。 これを防ぐには、システム内に存在するあらゆる空気を連続的にシステムから抜く。 このために、たとえば、通気孔01、揮発性ミキサ23、または他の排気口などを必要に応じて使用する。 凝縮器チャンバの底に流れ落ちる水が結露して管の外側を覆う水の膜が形成された場合、つまり「スキニング」として公知の現象が発生した場合も、熱伝達が損われる。 水が凝縮器の表面を「覆う」範囲は、主として熱伝達面の面エネルギー(疎水性)によって決まる。 本発明の一実施形態においては、疎水性被膜を塗布することによって水を外皮状ではなく玉状に凝縮させ、より多くの熱伝達面を露出させ、効率的な熱伝達を実現してもよい。 適切な疎水性被膜の例として、オキュラー・テクノロジーズ(Ocular Technologies)社製の被膜、または熱抵抗自体を減らすか皆無にする他の疎水性被膜が挙げられる。 蒸発器/凝縮器600の凝縮器部分600Cからの蒸気21は揮発性物質ミキサ23にも供給されるので、ここで揮発性ガスをシステムから放出してもよい。 本システムは、ブローダウン水流を常時維持することによって、システム内のスケーリングおよび他の堆積を防ぐ。 ブローダウン流ライン43を通る水量を適切な量に維持するために、液位センサL1と、弁V1と、液源ポンプ00とを用いたフィードバック制御ループによってヘッドチャンバ300内の水位19を調整する。 水がサンプ500に注入されように液源ポンプの3方向充填弁29を設定すると、ヘッドチャンバ300内の水位19が上がる。 ヘッドチャンバ300内の液位19が上がると、液体はダム状の障壁302から溢れ、ブローダウン液位センサLlを備えたブローダウン制御チャンバ301に入る。 必要に応じて、ブローダウン弁V1を制御することによって、ブローダウン制御チャンバ301から熱交換器400に水を流してブローダウン流43の除熱および冷却を行うことができる。 さらに、水は弁V1から流れ出て、揮発性物質ミキサ23を通り、ここで蒸発器部分600Bからの高温のガスと蒸気21とを冷却してからブローダウン流を完了して廃棄ライン43Aに至る。 本システムは、製品流の適正流量も維持する。 凝縮器チャンバ600C内の製品液位502が上昇すると、製品液位センサL2を備えた製品制御チャンバ501に入る。 液位センサL2と弁V2とを備えたフィードバック制御ループを使用することによって、製品制御チャンバ501から、製品流41の除熱および冷却を行う熱交換器400を通り、次に弁V2を通って製品流出ライン41Aに至る製品流41の水量を制御する。 本システムは、液体回収システムの使用によって液体損失分を補給して、液体リングポンプ内の水位を適切に維持するように構成すると好ましい場合がある。 システムの運転中にリングポンプから液体が枯渇しうる経路は複数あり、下部液溜め30への漏れ、排出ポート6経由の放出、および蒸発などが挙げられる。 漏れおよび放出による損失は、回転速度や液体リングポンプのスループットなどの運転パラメータに応じて大きくなりうる。 これらの漏れおよび放出による損失によって、ポンプ内の流体の総交換が1時間あたり数回必要になることもある。 蒸発による損失は一般に小さい。 リングポンプ内の液位は、さらなる原水の追加または製品水の追加によって維持することもできるが、システム効率を向上するには、液体リングポンプから失われた液体水の再循環によって維持することが好ましい。 好適な一実施形態においては、リングポンプ内の液位の維持は主に、図14Aの下部液溜め30に貯まった液体を再循環させることによって行う。 液体リングポンプから漏れた液体は下部液溜め30に溜めることができる。 また、排出ライン57に排出され、ミストエリミネータ58によって捕集された液体は下部液溜め30にポンプ注入することができる。 あるいは、排出ライン57に排出され、ミストエリミネータ58によって捕集された流体を液体リングポンプの排出ポート経由で戻すこともできる。 下部液溜め30に貯まった流体は、いくつかのポンピング機構のうちの1つによって再循環させることができる。 好適な一方法は、図10および図12Cに示すようなサイフォンポンプ32(上記)の使用である。 下部液溜めの最低水位は、サイフォンポンプ32が適切に作動する水位に維持することが好ましい。 好適な一実施形態においては、図14Aに示すように、液体リングポンプの液位の制御と、下部液溜め30内の水位の制御とに、液体リングポンプ液位センサL3を収容した液体リングポンプ制御チャンバ101を使用することができる。 液体リングポンプ制御チャンバ101は、液体リングポンプ100と下部液溜め30とに流体接続されている。 液体リングポンプ100は、液体リングポンプがさらに水を必要とするときに開かれる3方向原液充填弁29に接続されているほか、液体リングポンプ100内の水をブローダウン流43に放水する必要があるときに開く液体リングポンプ放出弁V3にも接続されている。 下部液溜め30からの再循環水の主用途が液体リングポンプ内の液位の維持でない場合は、低温原水または製品水のどちらでも使用しうる。 原水を使用すると、液体リングポンプへの低温水(システムの温度より約85℃低い場合もある)の導入によってシステム効率が低下するであろう。 あるいはこのような低温原水に対してプリヒータを使用すると、システムのエネルギ収支を増大させることになるであろう。 一方、製品水の使用は、システム温度には悪影響を及ぼさないものの、生産レベルを低下させるので、システム効率の低下につながる。 始動時の液体リングポンプの初期流体液位は、原水からの供給が好ましい。 一実施形態においては、始動時間を短縮するために、図14Bに示すように、原水39およびブローダウン43の両流体ライン間に、熱交換器400の低温側に隣接させて外部連結弁43AAを使用してもよい。 初期充填中の蒸発器ヘッド300内の流体の液位を調べるには、連結弁43を開き、ブローダウン弁BVを閉じて、流体を原水ライン39経由でシステムに注入する。 ブローダウン43ラインと原水39ラインとを接続すると、ブローダウン液位センサハウジング301内の流体の液位と蒸発器ヘッド300内の流体の液位とが等しくなるので、蒸発器ヘッド300内の流体液位を判定でき、始動時の蒸発器への充填が必要最小限の液位で済む。 必要最小限の液位で済むことから、初期ウォームアップ時間が短縮されるほか、液体リングポンプ100の始動時の蒸発器ヘッド300から液体リングポンプ100経由での凝縮器600への溢出が防止される(図14A参照)。 ブローダウン流43中の固形物の濃度を監視および制御することによって、溶液の材料の沈殿、ひいてはシステムの目詰まりを防止しうる。 また始動中、循環ポンプ43BBによって水を熱交換器400を通して循環することによって、熱交換器を平常運転の適温に予熱することができる。 導電率センサ(図示せず)を使用して流体の導電率を測定することによって、完全溶解固体物質(TDS)の含有量を判定してもよい。 具体的な一実施形態においては、このセンサは誘導センサであるので、流体流と接触する導電性材料は何もない。 たとえば海水の蒸留中など、ブローダウン流43中のTDS含有量が増加して規定レベルを超えると、流体原液の供給速度が上がる。 流体原液の供給速度が上がると、ブローダウン流43の速度が上がるが、これは流体供給速度に応じて蒸留水の生産が多少変化するからである。 また、ブローダウン流の流速が上がると、TDSの濃度が下がり、結果としてシステムの総合効率および生産性が維持される。 図14Aに関連して説明したように、流体の制御は、フィードバック構成内の液位センサと可変流量弁とを用いて行われる。 蒸留器の最適運転には、流体の総流量を流体の総流出量にほぼ一致させる必要がある。 この要件は、蒸留器中の流体をほぼ一定の液位に維持することで満たすことができる。 具体的な一実施形態において、センサは容量性液位センサであり、流体の液位測定用には特に堅牢なセンサである。 容量性液位センサは可動部分がなく、汚損に強く、製造が簡単かつ安価である。 可変流量弁の開放は、容量性液位センサが測定した液位によって制御されるので、流体の液位は液位センサの位置で調整される。 流体の液位が上がると、弁がさらに開き、センサ容積からの流出量が増える。 逆に流体の液位が下がると、弁がさらに閉じるので、センサ容積からの流出が減る。 可変流量制御弁を通る流量および流入ポンプからの流量は、現場の校正手法を用いて決めることができる。 各液位センサとそれぞれの液位センサ容積に基づき、センサ容積の充填または排出速度を決めることができる。 制御弁を適切に構成することによって、各弁の流量校正および原液ポンプの流量校正を決めることができる。 本発明の具体的な一実施形態において、弁ブロック(図示せず)を用いてシステムの全ての制御弁を単一部分に集約し、この部分を流量マニホルドに統合してもよい。 また、すべての溶解固形物およびブローダウン流に対してセンサを1つ備えた制御システムのほか、ヘッド内の液体の高さ/液位を制御するためのフロート弁などの装置を組み込んでもよい。 図14Aに示すように、ヘッド300から圧縮器100までの蒸気流ライン22、蒸気を凝縮器200に分流するための蒸気流出ライン57、凝縮器200から交換器400を通る、浄化および凝縮された高温製品502の回収も可能な高温製品ライン41、および高温製品水を圧縮器100に分流して水位を一定に保つためのライン(図示せず)がさらに存在する。 システム停止時のための放出ライン(図示せず)をさらに設けてもよい。 さらに、始動時に低温液体を加熱沸騰させるとともに、蒸留器の運転中に液体を連続的に蒸気に変換するために十分な熱を維持するための加熱素子60付きのヒータ900があってもよい。 本発明の一実施形態において、システム始動後はヒータ900からの熱入力なしに、蒸留システムを定常状態で運転してもよい。 あるいは、運転中十分な熱を維持するために、第2のヒータ(図示せず)を使用してもよい。 このヒータの運転は、連続運転でもパルスモード運転でもよく、あるいは制御装置によって制御してもよい。 具体的な一実施形態において、蒸発器/凝縮器600は、図15に示すように、図14Aの端板48および50の代わりにそれぞれコア管49用のシェルシール54Aおよび54Bとエラストマ管とを備えた蒸発器/凝縮器600Aである。 このようなエラストマ管およびシェルシールは、米国特許第4,520,868号に例示されており、この内容を本願明細書に引用したものとする。 蒸発器/凝縮器600Aの外側にある工具不要のクランプオンシール59によって、コア管49の洗浄、修理、および交換を必要時に容易に行える。 外部から取外し可能な管継手47は、流体凝縮器の蒸気流入ポート70、液体製品流出ポート66、蒸発器の蒸気流出ポート69、ブローダウン流流出ポート65、液体流入ポート64、および揮発性物質ポート67を蒸発器/凝縮器600Aに結合するために使用しうる。 この具体的実施形態においては、サンプ内の液体を加熱するために、ヒータ900および加熱素子60(図14A参照)の代わりに、厚膜ヒータ900Aを使用してもよい。 本発明によるさらに別の具体的実施形態においては、コア600の代わりに、図16Aおよび図16Bに示すような蒸発器/凝縮器650を設けてもよい。 図16Aに見られるように、蒸発器/凝縮器650は平形の蒸発器/凝縮器であり、一般に銅ニッケル合金または他の熱伝導可能材料で作られた複数の並列コア層92および94を有し、水蒸気および凝縮液体の流れを導くためのチャネル95および97を作るリブ部分90を備えている。 蒸気取り入れマニホルド7Aおよび製品排出マニホルド6A(および図示されていない汚水取り入れマニホルドおよび揮発性物質排出マニホルド)は流体界面を介して液体リングポンプ/圧縮器100に接続される。 ボルト88は、コア蒸発器/凝縮器650を外部ハウジング25のブラケットに固定する。 運転中、互い違いに(図16Aおよび図16Bに示すように)なっている水平段92および94は、蒸発チャネル95および凝縮チャネル97を含むが、この2つの機能はどの層においても決して重ならないようになっている。 図16Aの詳細図である図16Bは、凝縮器/蒸発器の両マニホルドがどのように組み合わされて機能するかをより明らかに示す。 図示のように、段92と段94とは影響し合わず、それぞれ遮断されているので、各水平コア層において蒸発機能と凝縮機能とが互に隔てられている。 また、本発明による別の具体的実施形態は、図17A〜図17Dに示す流体分配マニホルド675を含みうる。 図17Aは、流体分配マニホルド675の具体的な一実施形態のポンプ側の一面を示す。 未処理原液の供給としての流入液体はポート64を通って流れ、ブローダウン流(流出)はポート65を通って流れる。 製品流としての別の流出水はポート66を通って流れ、ポート/チャンバ67は揮発性物質の排気(流出)用であり、ポート68は液体リングポンプの排液(流出)用である。 図17Bは、流体分配マニホルド675の同じ具体的実施形態のポンプ側のもう一面を示す。 揮発性物質排出用のポート/チャンバ67と液体リングポンプ用の排出口68とが見える。 この具体的実施形態のこの図には、凝縮器の蒸気ミストエリミネータチャンバ71とミストコレクタおよび放出エリア73とが見られる。 図17Cは、流体分配マニホルド675の同じ具体的実施形態の蒸発器/凝縮器側の一方の面を示す。 この図には、未処理原液供給ポート64のほか、ブローダウン通過ポート65および製品水通過ポート66が容易に見られる。 また、蒸発器の蒸気通過ポート69および凝縮器の蒸気通過ポート70も見られる。 最後に、図17Dは、流体分配マニホルド675の同じ具体的実施形態の蒸発器/凝縮器側のもう一方の面を示す。 ここでも、ブローダウン通過ポート65が見られるほか、液体リングポンプの排出ポート68、第2凝縮器水蒸気ミストエリミネータ71、蒸発器の蒸気ミストエリミネータ72、およびミストコレクタおよび排出エリア73も見られる。 また、この図には、サンプの液位制御チャンバのほか、製品水の水位制御チャンバ75および液体リングポンプの原液供給76も見られる。 このような具体的実施形態において、流体分配マニホルド675は、液体浄化システム内の配管の大半を省き、流量調整、ミスト除去、および圧力調整を含むさまざまな機能を1つのユニットに組み込むことができるので、製造を簡単にし、構成部品の総点数を大幅に削減しうるので都合がよい。 コア板およびマニホルドは、たとえば、プラスチック板、金属板、セラミック板、または高温および高圧に耐えうる他の非腐食性材料で作ってもよい。 コア板およびマニホルドの製造方法として、蝋付およびオーバモールドが挙げられる。 図18Aおよび図18Bは、具体的な一実施形態のシステム全体にわたって流体の接続を可能にする継手を示す。 たとえば、交換器400と図12Aの取り入れ/排出ポート7および6との間には、浮動的な流体界面が存在しうる。 図18Aは、熱交換器のポート(図示せず)に溶接可能なこのような管継手61を示す。 管継手61は流体界面62に接続され、流体界面62は流体分配マニホルドに連絡している。 図18Aは、線A−A(図18Bを参照)に沿った断面図を示す。 管継手61は、温度または製造のバラツキによって起こりうる位置合わせのずれを補償するように浮動しうる。 密封はOリング63によって行われる。 図18Bに示す図に見られるように、中心軸を中心に線A−Aを90°回転させると、Oリングシール63と、管継手61と、流体界面62とが噛みあって流体界面の接続が行われる。 コア管49を有するコア600の場合であっても、平行コア層92および94を有するコア650の場合であっても、コアの管または層チャネルの幾何学的形状は、円筒形、正方形、矩形などにしうる。 本発明によるさらに別の具体的実施形態においては、液体の相変化の正味速度を上げるようにコア構成を選択してもよく、コアインサートをコア構成に含めてもよい。 コアインサートについては、その内容を本願明細書に引用したものとする、2003年8月7日提出の「相変化の促進方法および装置(Method and Apparatus for Phase Change Enhancement)」と題する米国特許出願第10/636,303号により詳細に説明されている。 スケール制御は、ポリリン酸塩またはポリアスパルテートなどによる化学処理、当該構成要素のガルバニック処理または電気化学処理によるプラズマコーティング、有機酸などによる酸処理、あるいは電界および/または磁界による処理によって実現してもよい。 本発明の他の複数の具体的実施形態は、総合システムのエネルギ効率を向上するために、たとえば図19Aおよび図19Bに示すように利用可能な系源および熱源を活用する高効率の熱交換器400Aおよび400Bを含めうるので都合がよい。 具体的な一実施形態において、複数の熱源の少なくとも1つからの熱は、マルチライン効果を生み出すように一連の2チャネル熱交換器38、40、42、および44が配管されている図19Aに示すようなマルチライン熱交換器400Aを通過する。 なお、図19Aに示すマルチライン熱交換器の具体的実施形態において、低温取り入れ流39はすべての熱交換器ユニット38、40、42、および44を通過するが、1つの熱源、たとえば高温の製品流41、は熱交換器ユニット38および42を通過し、別の熱源、たとえば高温のブローダウン流43、は熱交換ユニット40および44を通過する。 このようにして、複数の熱源を用いて低温の取り入れ流39と熱交換を行うことができる。 あるいは、図19Bに示すような単一のマルチチャネル熱交換器400Bを使用してもよい。 この具体的実施形態においては、低温の取り入れ流39と、たとえば高温の製品流41や高温のブローダウン流43などの熱源とが同時に、しかし逆方向に交換器400Bを通って流れることによって、単一の熱交換器400B内で熱源41および43からの熱を低温の取り入れ流39と交換することができる。 熱交換器400の熱源は、製品流41とブローダウン流43とを含む。 本実施形態で外部駆動モータを使用する場合は、熱交換器400の別の熱源候補として、蒸気ポンプ駆動モータ150の巻線などが発生した放射熱が挙げられる。 上記のように、本発明による熱交換器には、米国特許第4,520,868号に詳述されている管巣熱交換器技術を利用し、向きが同じ複数の管をシールするために、金属または他の非弾性端板を熱交換器の各管に半田付けまたは蝋付けする代わりに、弾性端板を使用してもよい。 図1Aおよび図1Bに関して上で説明したように、電源800は、たとえば、ICジェネレータまたはスターリングエンジンジェネレータでもよい。 一実施形態においては、ジェネレータが発生した放射熱を取り入れ流の加熱に利用しうる。 この場合は、ジェネレータが発生した放射熱を熱交換器400に導く。 このような熱交換器は、図19Bに示すような3チャネル熱交換器の高温側、つまり原液体39が蒸発器600に入る側、に配置すると最適であろう。 排熱を通すためにこれらのチャネルの1つを使用しうる熱交換器は、図14Aまたは図4(要素2506)にも示されている。 外部駆動軸モータを利用する場合は、歯車ポンプ、膜ポンプ、または「ラム」ポンプタイプの「低温」流体ポンプをシステムの低温取り入れラインに直列に追加して使用しうる。 具体的な一実施形態において、このようなポンプは、液体リングポンプと同じ回転子駆動軸から駆動される。 本発明の他の複数の具体的実施形態においては、流体取り入れポンプを使用しない場合も考えられる。 この場合は、重力供給機構の使用または真空の生成によってシステムを通過する流体を駆動する。 別の具体的実施形態においては、プリヒータまたは補助ヒータをサンプ500に使用してもよく、この場合、サンプ内の水の温度および熱流入の調整は、リレーモニタ付き温度センサ・スイッチを使用する。 温度センサは他の流体槽にも備えうる。 たとえば、蒸留器の加熱中に蒸留開始の最適条件を判定するために、温度センサをサンプ内に使用しうる。 また、温度センサを使用して水温の変化を検出し、流体の流量を調節して蒸留器の総生産量を維持するようにしてもよい。 図20に示す一実施形態においては、総合システム性能を査定するため、および/またはデータを制御システムに提供するために、蒸発器および凝縮器の圧力を測定する。 凝縮器/蒸発器600の高温に耐えられる高価なセンサの使用を避けるために、熱交換器400の低温側と対応する制御弁V EおよびV Cとの間の流体ライン上に圧力センサP EおよびP Cを搭載している。 圧力センサをこの位置に配置して流体を流した場合、システムの実際の圧力より低い圧力が測定される場合がある。 これを防ぐには、制御弁を一時的に閉じて流れを止める。 この「無流量」期間中、制御弁から蒸発器または凝縮器に戻る圧力が一定になるので、システム圧力の正確な測定が可能になる。 このような短期間の「無流量」期間によって蒸留器の性能に悪影響が及ぼされることはない。 本発明のさらに別の実施形態は、図21Aに示すように濾過機構を取り入れ部00に組み込むことによって、浄化された最終的な液体製品の純度を向上するように設計されている。 フィルタハウジング80Aは、少なくとも2つのフィルタユニット81および83を連結するピボット継手82を有するマルチユニットフリップフィルタ80を収容し、液体をフィルタユニット81および83を通過させるとともに、ピボット継手82を中心にフィルタユニット81および83を回転させる。 図示のように、ブローダウン流43がフリップフィルタユニット81を通過する一方で、取り入れ部00からの取り入れ液体流39がフリップフィルタユニット83を通って浄化される。 ある時間が経過すると、汚れた取り入れ液体の濾過によって汚染されたフィルタユニット83をブローダウン流43によって逆洗するとともに、取り入れ液体流39をフィルタユニット81によって濾過するために、フリップフィルタスイッチ(図示せず)が、フリップフィルタのピボット継手82の位置にある中心軸(点線で図示)を中心としてフリップフィルタ80を回転させる。 このような一実施形態においては、フィルタユニット81および83と、ブローダウン流43および取り入れ液体流39のそれぞれの液体流経路との間のシールとしてOリングガスケット81Aおよび83Aを使用してもよい。 別の実施形態においては、マルチユニットフリップフィルタは、図21Bに概略的に図示されているマルチセクション構成の円形フィルタ80Bでもよい。 複数のフリップフィルタユニット81Bおよび83Bなどがその回りを旋回する転心82Bを有するマルチユニットフリップフィルタ80Bは、液体流を個々のフィルタユニット81Bおよび83Bに通すとともに、転心82Bを中心としたフィルタ80Bの回転を促すフィルタハウジング80C内に配置してもよい。 図示のように、ブローダウン流43が一方のフリップフィルタユニット81Bを通過する一方で、取り入れ部00からの取り入れ液体流39がフリップフィルタユニット83Bを通って浄化される。 汚れた取り入れ液体の濾過によって汚染されたフィルタユニット83Bをブローダウン流43によって逆洗するとともに、取り入れ液体流39をフィルタユニット81Bによって濾過するために、フリップフィルタスイッチ(図示せず)は、図21Bのようにフリップフィルタのピボット転心82Bの位置にある中心軸(点線で図示)を中心としてフリップフィルタ80Bを回転させる。 一方のフィルタセクションを通るブローダウン流43を別のフィルタセクションを通る取り入れ液体流39から隔てるために、81B−1および83B−1によって示されているような一連のシールを個々のフィルタユニット81Bおよび83Bの間に使用する。 あるいは、図22に概略的に図示されているような手動弁85を使用して水流の方向を手動で切り替えることもできる。 このような弁を使用すると、各フリップフィルタの1つのユニットを連続的に洗浄するためにブローダウン流43を使用できるほか、濾過するユニットと逆洗するユニットの切り替えを単一操作で効果的に行えるので、フィルタユニット81または83を逆洗するためにフィルタ80自体を実際に反転する必要がない。 図22に見られるように、具体的な一実施形態において、弁85が位置Aにあるとき、フィルタユニット81は取り入れ液体39を濾過しており、フィルタユニット83はブローダウン流43によって逆洗されている。 弁85を位置Bに切り替えると、フィルタユニット81がブローダウン流43によって逆洗され、流入液体39がフィルタユニット83によって濾過される。 図示されていない別の具体的実施形態においては、状況によって必要であれば、廃棄物放出用のポンプ付き収容タンクを含む外部システムが存在してもよい。 上記の具体的実施形態は、通常、大気圧より高い圧力、一般に約10psigで運転される。 このようなシステムは、より高濃度の蒸気をより高圧で供給するので、低圧時より多量の水蒸気を容積移送式ポンプを介して送り込めるので都合がよい。 この結果、スループットが向上し、システム効率が総合的に向上する。 さらに、高スループットおよび高システム圧力によって、圧縮器100の電力需要が減り、2つの追加ポンプ、つまり凝縮製品41用のポンプとブローダウン流43用のポンプとが不要になる。 多くの形状は外圧耐力より内圧耐力の方が高いので、構成全体が単純化される。 重要な点は、超大気圧での運転は、微小な漏れ穴によって総合的な効率および性能に及ぼされる影響が軽減される点である。 空気などの非凝縮性ガスは凝縮プロセスを妨げ、大気圧より低い圧力下で膨張するので、微小な漏れ穴から空気が吸い込まれるが、この現象は超大気圧で運転するシステムにおいては発生しない。 本発明の複数の実施形態を大気圧より高い圧力で運転する場合は、システムの運転圧力を制御するために、新奇の背圧調整を利用してもよい。 図23Aおよび図23Bは、本発明の一実施形態による背圧調整器の図を示す。 背圧調整器1100は、オリフィス1110を有する導管1150を備える。 このオリフィスの一方の側はシステムの加圧導管(たとえば、蒸気圧縮蒸留システム内の圧縮器の流出部)に接続され、変動的な高圧に晒されうる。 オリフィスのもう一方の側はポート1170に終端する。 ポート1170は、球状の可動ストップ1130で覆われる。 ストップ1130は、ピボットピン1140から一定距離の位置に、保持器1160によってアーム1120に取り付けられる。 アーム1120は、オリフィスのポート1170に対して一定の関係にある位置に、ピボットピン1140を介してヒンジで取り付けられる。 アーム1120は、アームから吊り下げられたカウンタマス1180を有し、カウンタマス1180は軸1190に沿って移動可能であるので、カウンタマス1180とピボットピン1140との間の距離を変えられる。 図23Aに示す実施形態において、オリフィス1110の軸方向は、重力ベクトル1195の方向に対して直角である。 この背圧調整器は、調整器に異物が侵入して調整器内部の構成要素の機能が妨害されないように、ハウジングをさらに含んでもよい。 図23Aおよび図23Bに示す実施形態の運転中、加圧導管内の圧力が所定の設定値より低いとき、アーム1120は重力1195の方向に対して水平位置を維持する。 この実施形態におけるこのアーム位置は、閉位置として公知であり、このときポート1170はストップ1130によって覆われている。 導管内の圧力が設定値を超えると、力がストップ1130にかかり、ピボットピン1140を中心にトルクがかかる。 このトルクの作用によって、アーム1120がピボットピン1140を中心に反時計回りに回転してその閉位置から離れるので、ポート1170が露出され、流体がオリフィス1110から漏れる。 導管内の圧力が設定値より下がると、ガスの力が弱まり、アーム1120をその閉位置から離しておくことができなくなるので、アーム1120は閉位置に戻り、ストップ1130がポート1170を覆う。 図23Aおよび図23Bの実施形態において、アーム1120は、調整可能モーメントの生成において梃子として機能し、カウンタマス1180からストップ1130を介してポート1170に加えられる力を増倍するために利用される。 この力の増倍によって、オリフィス1110の閉鎖に必要な重量が減る。 これは、圧力鍋のように、ストップ1130のみがオリフィス1110の上部に垂直に作用する設計とは対照的である。 したがって、加圧導管からの急速脱気を促進するための大きなポートサイズを比較的軽い大型のストップで覆い、カウンタマスの作用によって所望の設定値を調整しうるので、設計労力を具体的なポートサイズおよびストップ特性の選択に向けることができる。 本実施形態においては、カウンタマス1180の位置調整用の軸1190の追加によって倍率の変更が可能になる。 カウンタマス1180をピボットピン1140に近づけると、倍率が下がり、閉じる力が弱まる。 カウンタマス1180をピボットピン1140から遠ざけると、倍率が上がり、閉じる力が大きくなる。 したがって、背圧調整器の設定値の調整において、カウンタマス1180の位置が効果的に作用する。 背圧調整器の設定値の調整は、より海抜の高い場所にあるシステムで背圧調整器を使用するときに有用になりうる。 大気圧が下がると、それに応じてシステムの運転圧力も低下する。 結果として、蒸留装置の温度が低下し、システム性能に悪影響が出ることがある。 また、このような調整によって、エンドユーザが望む背圧調整器の設定値を特定することができる。 カウンタマスによる閉塞力の印加は、背圧調整器のコストおよび構成要素の疲労も低減しうる。 本発明の具体的な一実施形態において、調整可能なカウンタマスは、設定値範囲の最低設定値をほぼ10psig以下にし、最高設定値を17psig以上にできるように設計される。 このように、本発明の複数の実施形態では、安全逃し弁としてのみ機能する装置と異なり、システムの圧力調整を高精度に行うことが可能である。 図24Aおよび図24Bに示す本発明の別の実施形態においては、ポート1270の向きが重力1295の方向に対して鉛直になるように、オリフィス1210を構成している。 このように、本発明の他の複数の実施形態では、調整可能なカウンタマスを使用しながら、オリフィスの向きを任意に調整しうる。 図23A、図23B、および図25に示す本発明の実施形態において、導管1150は放出用オリフィス1115を含む。 背圧調整器1100は大規模システム1320の有界領域1310内で運転されることもあるので、放出用オリフィス1115は、加圧導管1340からオリフィス1110を通じて有界領域1310にパージした流体を放出するための経路として機能する。 放出用オリフィス1115によって、有界領域1310を大規模システムの別の区域、または外部環境1330に接続してもよい。 また、有界領域1310内におけるガスの堆積は、ガスの凝縮を生じうる。 また、オリフィス1110を通じてパージしたガスは飛沫を同伴しうるので、これらの飛沫が有界領域1310内に蓄積しうる。 したがって、放出用オリフィス1115は、有界領域1310内に堆積する凝縮性物質をパージするためにも使用しうる。 また、別のオリフィス1350を使用して、凝縮性物質を有界領域から放出してもよい。 揮発性ガスが堆積すると、システム内の熱交換を遮断し、沸騰を抑止するので、揮発性ガスをパージするために、設定値未満の漏れ量を許容するように背圧調整器を構成してもよい。 ただし、この小さな漏れにもかかわらず、加圧導管内の圧力上昇が可能であるように調整器を設計する。 本発明の一実施形態においては、背圧調整器が設定値未満のときに、背圧調整器のアームを閉位置にしたまま加圧導管から揮発性成分を放出するために、、特別に設計された漏れ用通気孔を使用してもよい。 漏れ用通気孔は、導管内の圧力が設定値未満のときに、ポートまたはオリフィスからの一定の漏れ量を許容するように構成する。 このような漏れ用通気孔は、同業者には公知のさまざまな手段によって設計しうる。 たとえば、アームが閉位置のときに小さな隙間ができるようにストップおよびポートを特定位置に位置付けるか、小さな隙間がストップによって閉塞されずに常時露出しているようなポートを設計するか、アームが閉位置にあるときのストップとポートとの間の特定の非可とう性剛体シール構成を指定するか、ポートにつながるオリフィスに流体の漏れを許容する小さな開口部を設けた構成にするか、などが挙げられるが、これだけに限定されるものではない。 背圧調整器が設定値未満のときに揮発性物質の漏れを許容することを目的とした、本発明の具体的な一実施形態において、ポート1410は図26Aおよび図26Aの領域Cの拡大図である図26Bに示すような小さな切欠き1420を有する。 この場合、背圧調整器のアームが閉位置にあるとき、ストップはポート1410に接触しているが、漏れ用通気孔である切欠き1420を通じて小量の漏れが発生する。 本発明の別の具体的実施形態においては、図27Aおよび図27Aの領域Eを引き伸ばした図27Bに示すように、オリフィス1510は小さな開口部1520を有する。 この開口部1520は、ストップがポート1510を覆っているときの漏れ用通気孔であり、流体が開口部1520を通じて漏れるように構成されている。 本発明の複数の実施形態による背圧調整器のさまざまな特徴は、変更または修正しうる。 たとえば、背圧調整器に使用するストップは、所望の運転条件に合ったどのような形状、寸法、または質量でもよく、ストップの形状を本願明細書に記載した本発明のいくつかの実施形態に図示したような球状にする必要はない。 また、同様の寸法でも重量が異なる複数のストップを保持器に使用することによって、調整器の設定値を変更してもよい。 同様に、本発明の複数の実施形態においては、軸およびアームの構成に適応するものであれば、さまざまな寸法、形状、および質量のカウンタマスを使用しうる(図23Aおよび図23Bの1180と図24Aおよび図24Bの1280とを比較されたい)。 このようなカウンタマスの取り付けおよびアームに対する配向は、当業者に明らかなさまざまな技術のいずれかを用いて行いうる。 ピボットピンの配置は、図23および図24に示すように位置付ける必要はなく、具体的な圧力設定値を達成するために必要な機械的利点のある都合のよい任意の位置でよい。 本発明の複数の実施形態においては、上記の放出用オリフィス構成を利用してもよい。 また、本発明の複数の実施形態においては、カウンタマスによって力を調整する構成を使用せずに、ストップの具体的特性を利用して背圧調整器の設定値を規定してもよい。 本発明の他の複数の実施形態においては、導管を使わずに、システムの本質的部分であるオリフィスを利用してもよい。 このような場合は、背圧調整器のアームをシステムの一部に直接取り付け、アームと、ストップと、カウンタマスとが調整器の動作に適切な向きになるようにしてもよい。 上記のように、この発明のさまざまな実施形態は、あらゆる環境で使用可能であり、初期の水質にかかわらず信頼性の高い飲料水の水源を提供でき、安価で維持が容易であり、高効率でフェールセーフな可搬型液体浄化システムを提供しうるので都合がよい。 本発明のシステムは、たとえば、個人規模または狭い共同体規模で可搬電源と低電力量とによって、飲料用または医療用の可搬可能な連続水流を生成することを目的としている。 一例として、本システムを使用すると、望ましい効率比において、約500ワットの電力量で1時間あたり約10ガロンの水を生産しうると想定される。 これは、非常に効率的な熱伝達プロセスといくつかのサブシステム設計の最適化とによって達成しうる。 さまざまな周囲温度、圧力、および原水中の溶存固形分含有量の存在下で飲料水の生産を可能にするための情報は、運転温度、TDS、および流体流量の知識からもたらされる。 具体的な一実施形態においては、このような測定値(T、P、TDS、流量など)と単純なアルゴリズムおよびルックアップテーブルとの併用によって、運転者またはコンピュータ制御装置が実際の周囲条件の下で最適性能を達成する運転パラメータを設定するための制御方法を利用しうる。 本発明について、その複数の具体的実施形態に関連して説明してきたが、当業者には明らかなように、さらなる修正が可能であることは言うまでもない。 このような変更および修正はすべて、本願明細書に定義されているように、本発明の範囲内に含まれるものする。 00 取り入れ部100 圧縮器200 凝縮器300 ヘッド400 熱交換器500 サンプ600 コア |