JPH05123668A - 浄水製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 不純物をより完全に除去することが可能で、
メンテナンスが不要の、浄水製造方法および装置を提供
することを目的とする。 【構成】 晶出させた氷には不純物が含まれないという
原理と、熱電素子の両端が吸熱作用と発熱作用とを同時
に行うという原理とを利用して、浄水を製造する。熱電
素子(20)の両側に水槽(26、28)を配置し、熱電素子に通
電して、先ず片側の水槽(26)内で氷を晶出させる。次
に、反対方向に通電し、片側の水槽内に晶出した氷を融
解させると共に、反対側の水槽(28)内で氷を晶出させ
る。これを繰り返し、氷の融解により得られた浄水を回
収する。 【効果】 不純物を完全に除去することができる。フィ
ルタや活性炭を使用しないので、メンテナンスが不要で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【産業上の利用分野】本発明は、水道水や海水のような
不純物を含有する水から浄水を製造する方法および装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】水道水には、種々の不純物成分が含まれ
ているので、飲料水として利用するためには浄化するこ
とが望ましい。従来の家庭用浄水機は、濾過吸着方式に
基づくもので、有機膜からなるフィルタや活性炭が使用
されている。しかし、従来の浄水機では、水道水に含ま
れており発癌性物質と言われるトリハロメタンを十分に
除去するのは困難であると考えられている。また、濾過
方式の浄水機では、目詰まりのためフィルタには寿命が
あるので、フィルタを交換するなど定期的なメンテナン
スが必要である。

【０００３】他方、海水淡水化技術としては、蒸発法と
ＬＮＧ（液化天然ガス）を利用した凍結法が知られてい
る。蒸発法は、ボイラーなどにより海水を加熱し、発生
した蒸気を海水などにより凝縮させることにより淡水を
得る技術である。しかし、この方法は、水の気化熱が５
４０ｃａｌ／ｇと高いので、高いエネルギが必要とな
る。他方、凍結法は、低温のＬＮＧを用いて海水を冷却
し、晶出した氷を残液から分離し、氷を融解することに
より淡水を得るというものである。水の融解熱は８０ｃ
ａｌ／ｇであるので、蒸発法よりも低いエネルギで淡水
が得られるという利点がある。しかし、凍結法はＬＮＧ
が利用可能であることが条件となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、不
純物をより完全に除去することの可能な浄水製造方法お
よび装置を提供することである。

【０００５】本発明の他の目的は、メンテナンスが不要
で効率のよい浄水製造方法および装置を提供することで
ある。

【０００６】本発明の他の目的は、容易に実施すること
の可能な浄水製造方法および容易に製作することの可能
な装置を提供することである。

【０００７】本発明の他の目的は、構造簡素でコンパク
トで騒音や振動を発生することのない浄水製造装置を提
供することである。

【０００８】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段および作用】本発明の方法
および装置は、基本的には、凍結法の原理に基づくもの
で、不純物を含有する水（例えば、水道水や海水）を凍
結させると、不純物の少ない氷が先に晶出するという原
理に立脚するものである。

【０００９】そして、本発明の特徴は、氷を晶出させ、
かつ、晶出した氷を融解させるために、熱電素子を利用
したことにある。熱電素子は、電気エネルギを消費して
熱の移送を行うものとして知られている。今日の高性能
の熱電素子は一般に化合物半導体からなり、ｐ型半導体
とｎ型半導体とを接合して熱電対を構成したものであ
る。ｐｎ接合に直流電流を通じると、両端に吸熱発熱現
象（ペルチエ効果）を生じる。本発明においては、斯る
熱電素子の吸熱作用を利用して被処理水が冷却され、被
処理水が部分的に凍結される。このようにして晶出させ
た氷は、同じ熱電素子の発熱作用を利用して融解され、
浄水が得られる。

【００１０】より詳しくは、本発明の方法および装置に
おいては、１対の吸発熱作用面を有する熱電素子が使用
され、熱電素子の両側には各作用面に関連づけて第１水
槽と第２水槽とが夫々配置され、これらの水槽には被処
理水（水道水や海水など）が導入される。被処理水は熱
電素子の作用面に直接に接触させてもよいし、伝熱関係
で間接的に接触させてもよい。

【００１１】熱電素子に一方向に直流電流を供給すれ
ば、一方の作用面（第１作用面）は冷却され、他方の作
用面（第２作用面）は加熱される。冷却側の第１作用面
の温度が氷点下になると、比較的純粋な水からなる氷が
第１作用面に沿って晶出し、第１水槽内の液相には不純
物が濃縮される。不純物が濃縮された液相は第１水槽か
ら排出される。

【００１２】次に、熱電素子に反対方向に電流を供給す
れば、第１作用面は加熱され、第２作用面は冷却され
る。加熱により、第１作用面に晶出した氷は融解せら
れ、得られた浄水は浄水貯蔵容器に回収される。同時
に、今や冷却側の第２作用面には同様にして氷が晶出
し、第２水槽の液相には不純物が濃縮される。不純物が
濃縮された液相は第２水槽から排出される。再び電流を
反転すると、第２作用面に晶出した氷は融解せられ、得
られた浄水は浄水貯蔵容器に回収される。以上の工程を
繰り返すことにより、浄水貯蔵容器に浄水が貯えられ
る。

【００１３】このように、本発明の方法は、熱電素子を
用いて浄水を得るので、フィルタ交換などのメンテナン
スを要しない。

【００１４】また、本発明の装置においては、熱電素子
の両側に水槽が配置され、夫々の水槽内で氷の晶出と融
解が行われるので、極めてコンパクトで簡潔な構造によ
り効率良く浄水を製造することができる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す添付図面を参照
しながら、本発明をより詳しく説明する。

【００１６】図１は本発明の方法を実施する装置の一実
施例を模式的に示す。図示した実施例においては、浄水
装置１０は、１つの凍結・融解ユニット１２と、浄水タ
ンク１４と、排水タンク１６を有する。凍結・融解ユニ
ット１２はハウジング１８を有し、このハウジングの中
央には熱電素子モジュール２０が配置してある。熱電素
子モジュール２０の詳細については図２を参照して後述
する。熱電素子モジュール２０は吸発熱作用面２２（第
１作用面）および２４（第２作用面）を有し、熱電素子
モジュール２０の両側には、ハウジング１８とモジュー
ルの作用面とにより、第１水槽２６および第２水槽２８
が形成されている。図示した実施例においては、熱電素
子モジュール２０の吸発熱作用面２２および２４は、夫
々、水槽２６および２８の側壁を兼ねており、水槽２６
および２８内の被処理水に効果的に熱を授受するべく吸
発熱作用面２２および２４が水槽内の被処理水と直接に
接触するようになっているが、作用面２２および２４に
沿ってハウジング１８の内側側壁を配置することも可能
である。

【００１７】図２は、本発明において好適に使用可能な
市販の熱電素子モジュール２０の一部を拡大して示す。
図２を参照するに、この熱電素子モジュール２０は、Ｂ
ｉ−Ｔｅ系の化合物半導体からなるｐ型半導体３０とｎ
型半導体３２とを金属板３４を介して熱電対の形に接合
することにより形成された複数の熱電素子３６を有し、
これらの熱電素子はアレーの形に配列されている。即
ち、同一列の隣り合う熱電素子３６は金属端子３８によ
って互いに直列に電気接続されており、前後の列は列の
端部において例えば金属端子４０によって互いに直列接
続されている。このようにして、互いに電気的には直列
に、熱流に対しては並列になるように配置された１００
以上の対の熱電素子３６によって１つの熱電素子モジュ
ール２０が構成されている。夫々の熱電素子３６は電気
絶縁性で熱伝導性のセラミック基板２２および２４によ
って支持されている。各熱電素子のｐｎ接合に直流電流
を通じると、両端間でペルチエ効果による熱の移送が行
われ、一端が吸熱現象を呈し、他端が発熱現象を呈す
る。図示した熱電素子モジュール２０においては、セラ
ミック基板２２と２４の間で熱の移送が行われ、対を成
すこれらの基板２２および２４は熱電素子モジュール２
０の吸発熱作用面として作用する。いづれが吸熱しいづ
れが発熱するかは、ｐｎ接合を通る電流の向きにより定
まる。

【００１８】再び図１を参照するに、交流電源４２から
の電力は直流電源装置４４によって直流に変換され、リ
ード線４６および４８を介して熱電素子モジュール２０
に供給される。リード線４６および４８には制御回路５
０により制御されるリレースイッチ５２が配置してあ
り、モジュール２０に供給される電流を断続すると共
に、電流の向きを反転させるようになっている。

【００１９】夫々の水槽２６、２８には、入口管５４、
５６を備えた被処理水供給パイプ５８を介して被処理水
が供給される。被処理水の供給は、制御回路５０によっ
て制御される電磁式の三方弁６０によって制御される。

【００２０】水槽２６、２８には、また、出口導管６
２、６４が夫々接続してある。第１水槽２６の出口導管
６２は、制御回路５０によって制御される電磁式の三方
弁６６を介して浄水パイプ６８および排水パイプ７０に
接続されている。第２水槽２８の出口導管６４も同様の
三方弁（図示せず）を介して浄水パイプ６８および排水
パイプ７０に接続されている。

【００２１】次に、図３を参照して、本発明の浄水方法
の過程と浄水装置の作動を説明する。先ず、給水パイプ
５８から夫々の水槽２６、２８に被処理水を供給する
（図３（Ａ））。次に、熱電素子モジュール２０に矢印
の方向に通電すれば、第１作用面２２は冷却され、第２
作用面２４は発熱する（図３（Ｂ））。冷却に伴い第１
作用面２２の温度が氷点下になると、第１水槽２６中の
被処理水から氷７２が晶出し始める。水の凝固点は含有
する不純物の量に応じて降下するので、最初に晶出した
氷７２には不純物成分が少ない。氷の晶出に伴い、不純
物は残液７４中に濃縮される。

【００２２】氷７２の晶出がある程度進んだ段階で、モ
ジュール２０への通電を停止すると共に、三方弁６６を
操作することにより第１水槽２６から排水パイプ７０を
介して排水タンク１６へと残液を排出する（図３
（Ｃ））。

【００２３】次に、反対方向に通電すれば、第１作用面
２２が加熱され、第２作用面２４が冷却される（図３
（Ｄ））。その結果、第１水槽２６内の氷が融解して第
１水槽２６内に浄水が得られると同時に、第２水槽２８
内では第２作用面２４に沿って氷が晶出し始める。得ら
れた浄水は三方弁６６の操作によりパイプ６８を介して
浄水タンク１４に送られ、貯蔵される。

【００２４】次に、通電を停止し、第１水槽２６に新た
に注水すると共に、第２水槽２８中の残液を排出する
（図３（Ｅ））。再び電流の向きを反転し、通電すれば
（図３（Ｆ））、第２水槽２８内の氷が融解して浄水が
得られる。この浄水も同様に浄水タンク１４に送られ
る。同時に、第１水槽２６内では第１作用面２２に沿っ
て氷が晶出し始める。

【００２５】以上の過程を繰り返すことにより、被処理
水から浄水が製造される。斯く得られた浄水を再び凍結
・融解ユニット１２で処理することにより、更に浄水の
純度を高めることもできる。

【００２６】以上には、本発明の特定の実施例を説明し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の
変更を加えることができる。例えば、浄水装置１０は１
つの凍結・融解ユニット１２を有するものとして説明し
たが、複数のユニットを配置することにより装置の容量
を増大することができる。また、熱電素子モジュール２
０は複数の素子を有するものとして記載したが、本発明
の目的を達成するためには熱電素子は１対でもよい。反
対に、熱電素子モジュールを多段に積層したものを用い
ることもできる。

【００２７】

【発明の効果】本発明の方法は、凍結法の原理を用いて
いるので、従来技術では除去するのが困難であったトリ
ハロメタンのような不純物をより完全に除去することが
可能である。

【００２８】他の観点においては、水の気化熱が５４０
ｃａｌ／ｇであり、融解熱が８０ｃａｌ／ｇであること
を考慮すると、本発明の方法は蒸発法に比較してエネル
ギ消費の見地から明らかに有利である。

【００２９】更に他の観点においては、本発明の方法お
よび装置は、フィルタや活性炭を利用しないので、メン
テナンスが不要である。

【００３０】更に他の観点においては、熱電素子の両側
に水槽を配置し、熱電素子の両端で同時に起こる吸熱作
用と発熱作用とを利用しながら氷の晶出と融解とを行う
ので、構造簡素でコンパクトな装置を実現することがで
きる。

【００３１】また、本発明の装置にはコンプレッサのよ
うな運動部品がないので、騒音や振動を発生することが
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の方法を実施する装置の一実施
例を示す模式図である。

【図２】図２は、熱電素子モジュールの一部を示す拡大
図である。

【図３】図３は、本発明の方法の諸過程を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１０： 浄水製造装置 １２： 凍結・融解ユニット １４： 浄水タンク １６： 排水タンク ２０： 熱電素子モジュール ２２、２４： 熱電素子モジュールの吸発熱作用面 ３６： 熱電素子 ４４： 直流電源装置 ５８： 給水パイプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不純物を含有する水から浄水を得る方法
   であって：不純物を含有する水に関して伝熱関係で熱電
   素子の吸発熱作用面を配置し、 前記熱電素子に一方向に直流電流を供給して前記作用面
   を氷点下の温度に冷却することにより、前記作用面に関
   連づけて氷を晶出させ、 前記熱電素子に反対方向に直流電流を供給して前記作用
   面を加熱することにより、斯く晶出した氷を融解させ、 前記氷の融解により得られた浄水のみを回収することを
   特徴とする、浄水製造方法。
2. 【請求項２】 不純物を含有する水から浄水を製造する
   方法であって：ペルチエ効果により吸発熱する作用面を
   備えた熱電素子の前記作用面に関して伝熱関係で不純物
   含有水を供給し、 前記熱電素子に一方向に直流電流を供給して前記作用面
   を氷点下の温度に冷却することにより、比較的純粋な水
   からなる氷を前記作用面に関連づけて晶出させると共
   に、液相に不純物を濃縮し、 斯く不純物が濃縮された液相を斯く晶出した氷から分離
   し、 前記熱電素子に反対方向に直流電流を供給して前記作用
   面を加熱することにより前記氷を融解させ、 氷の融解により得られた浄水を回収することを特徴とす
   る、浄水製造方法。
3. 【請求項３】 海水を淡水化する方法であって：熱電素
   子の吸発熱作用面に関して伝熱関係で海水を供給し、 前記熱電素子に一方向に直流電流を供給して前記作用面
   を氷点下の温度に冷却することにより、淡水からなる氷
   を前記作用面に関連づけて晶出させると共に、海水中の
   塩分を液相に濃縮し、 斯く晶出した氷から斯く塩分が濃縮された液相を分離
   し、 前記熱電素子に反対方向に直流電流を供給して前記作用
   面を加熱することにより前記氷を融解させて淡水に変換
   し、 前記氷の融解により得られた淡水を回収することを特徴
   とする、海水淡水化方法。
4. 【請求項４】 不純物を含有する水から浄水を製造する
   装置であって：互いに協動してペルチエ効果による熱の
   移送に関与する、対を成す、第１および第２の吸発熱作
   用面を有し、直流電流を供給したときに、電流の方向に
   応じ、第１および第２作用面のうちの一方の作用面が吸
   熱を行うと共に他方の作用面が発熱を行うようになった
   熱電素子と、 前記熱電素子の第１および第２作用面に夫々関連づけて
   配置された互いに独立した第１および第２の水槽と、 不純物を含有する被処理水を前記各水槽に供給する被処
   理水供給手段と、 ペルチエ効果を生じさせるべく前記熱電素子に直流電流
   を供給する電流供給手段と、 前記各水槽から水を排出する排水手段と、 浄水貯蔵容器、とを備えてなり、 前記電流供給手段は、熱電素子に所定方向に電流を供給
   して、前記第１および第２作用面のうちの一方の作用面
   を氷点下の温度に冷却することにより、前記一方の作用
   面に関連づけて氷を晶出させると共に、他方の作用面を
   加熱し；前記排水手段は、前記一方の作用面に関連して
   氷が少なくとも部分的に晶出したときに、液相の残留被
   処理水を前記一方の作用面に関連する水槽から排出し；
   前記電流供給手段は、次に、熱電素子に反対方向に電流
   を供給して、前記一方の作用面を加熱することにより、
   前記一方の作用面に関連して晶出した氷を融解させると
   共に、前記他方の作用面を氷点下の温度に冷却すること
   により、前記他方の作用面に関連づけて氷を晶出させ；
   前記排水手段は氷の融解により得られた浄水を前記浄水
   貯蔵容器に導入し；前記他方の作用面に関連して晶出し
   た氷も同様に残留被処理水排出後に融解され、得られた
   浄水は前記浄水貯蔵容器に導入されることを特徴とする
   浄水製造装置。