特表 2023-501489 大気中の水蒸気を回収する装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-01-18

(54)【発明の名称】大気中の水蒸気を回収する装置

(51)【国際特許分類】

   E03B 3/28 20060101AFI20230111BHJP

【ＦＩ】

E03B3/28

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022526806

(86)(22)【出願日】2020-11-09

(85)【翻訳文提出日】2022-07-06

(86)【国際出願番号】 MX2020050039

(87)【国際公開番号】W WO2021096343

(87)【国際公開日】2021-05-20

(31)【優先権主張番号】MX/A/2020/001916

(32)【優先日】2019-11-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】MX

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522181382

【氏名又は名称】エルナンデス マイエン，アルフォンソ

【氏名又は名称原語表記】ＨＥＲＮＡＮＤＥＺ ＭＡＹＥＮ， Ａｌｆｏｎｓｏ

【住所又は居所原語表記】Ｃａｌｌｅ ６， ｎｕｍｅｒｏ ４７８， Ｇａｒｃｉａ Ｇｉｎｅｒｅｓ， Ｍｅｒｉｄａ， Ｙｕｃａｔａｎ， ９７０７０ （ＭＸ）

(71)【出願人】

【識別番号】522181393

【氏名又は名称】コンソリダンド エル パトリモニオ，エス．エー．ピー．アイ． デ シー．ブイ．

【氏名又は名称原語表記】ＣＯＮＳＯＬＩＤＡＮＤＯ ＥＬ ＰＡＴＲＩＭＯＮＩＯ， Ｓ．Ａ．Ｐ．Ｉ． ＤＥ Ｃ．Ｖ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｅｒｉｂｅｒｔｏ Ｆｒｉａｓ Ｎｕｍｅｒｏ １０３２， Ｄｅｌ Ｖａｌｌｅ Ｃｅｎｔｒｏ， Ｃｉｕｄａｄ ｄｅ Ｍｅｘｉｃｏ， ０３１００ （ＭＸ）

(71)【出願人】

【識別番号】522181407

【氏名又は名称】スチュワート ラン，ダニエル

【氏名又は名称原語表記】ＳＴＥＷＡＲＴ ＬＡＮＧ， Ｄａｎｉｅｌ

【住所又は居所原語表記】Ｃａｌｌｅ ６， ｎｕｍｅｒｏ ４７８， Ｇａｒｃｉａ Ｇｉｎｅｒｅｓ， Ｍｅｒｉｄａ， Ｙｕｃａｔａｎ， ９７０７０ （ＭＸ）

(71)【出願人】

【識別番号】522181418

【氏名又は名称】ヘリクサ，インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＨＥＡＬＩＸＡ， ＩＮＣ

【住所又は居所原語表記】４７７ Ｍａｄｉｓｏｎ Ａｖｅｎｕｅ ６ｔｈ Ｆｌｏｏｒ， Ｍａｎｈａｔｔａｎ， ＮＹ Ｎｕｅｖａ Ｙｏｒｋ， ＮＹ １００２２ （ＵＳ）

(74)【代理人】

【識別番号】100180781

【弁理士】

【氏名又は名称】安達 友和

(72)【発明者】

【氏名】スチュワート ラン，ダニエル

(57)【要約】

本開示は、凝華、相状態変化および融合の熱力学的プロセスを利用して、大気水蒸気を引き寄せ、捕捉し、有用な液体水に変換するための装置、システム、および製品を目的とする。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

大気水蒸気を引き寄せて収集し有用な液体水に変換するためのシステムであって、
低温相変化材料（Material de Cambio de Fase a Baja Temperatura、ＭＣＦＢＴ）を含む複数の低温相変化材料（ＭＣＦＢＴ）タンクであって、
個々の前記ＭＣＦＢＴタンクの外面のそれぞれは熱伝導性であって水の凝華のために滑らかに仕上げられた霜収集面を有しており、
これらの各外面上で水蒸気の固体状態（霜）への瞬時の変換が行われ、かつ、
個々の前記ＭＣＦＢＴタンクのそれぞれは、互いに近接して配置されているが、ＭＣＦＢＴタンクと、個々のタンク内の前記ＭＣＦＢＴの温度を低下させ維持するための冷却システムと、前記ＭＣＦＢＴのチューブまたは容器と、の列の各外面の周りを水蒸気が自由に流れまたは堆積できるように間隔を空けており、
前記冷却システムは、複数の蒸発器を含み、前記蒸発器のそれぞれが、水蒸気または空気と直接接触しないように、個々の前記ＭＣＦＢＴタンク内に前記ＭＣＦＢＴによって挿入および／または封入されている、複数のＭＣＦＢＴタンクと、
前記ＭＣＦＢＴを所望の温度に維持し、それによって水の凝華を行うことができるよう複数の前記ＭＣＦＢＴタンクの表面の温度を維持するために、前記冷却システムを「オン」または「オフ」にする温度センサスイッチと、
複数の前記ＭＣＦＢＴタンクを包み込んで、複数の前記ＬＴＰＣＭタンクの各表面を周囲温度およびシステム熱から熱的に遮蔽可能な断熱ライナーと、
複数の前記ＭＣＦＢＴタンクを内包する隔離チャンバに出入りする大気水蒸気および／または大気空気の流れを許容、禁止または調節するためのシステムと、
複数の前記ＭＣＦＢＴタンクを包み込む前記断熱ライナーの外側の掻き取り機構であって、前記ＭＣＦＢＴタンクの前記霜収集面から堆積した霜を除去するための固定パターンと時間指定された固定掻き取り経路とを有する複数のスクレイパーを備える、前記掻き取り機構と、
を備えるシステム。

【請求項2】

前記冷却システムは、
圧縮機と、
前記圧縮機に接続された凝縮ユニットと、
一方の端において前記凝縮ユニットに接続され、他方の端において、個々の前記ＭＣＦＢＴタンク内に前記ＭＣＦＢＴによって挿入および／または封入された複数の前記蒸発器に接続された、複数の膨張装置と、
蒸発器の大部分に接続された液体ラインと、そして
閉ループ冷媒サイクル冷却システム内の冷媒作動流体と、
を含む冷媒冷却サイクルである、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

複数の前記膨張装置は、これも前記ＭＣＦＢＴタンク、チューブ、または容器内に前記ＭＣＦＢＴによって挿入および／または封入されたキャピラリーチューブである、請求項１または請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記システムは、それぞれの膨張装置について第１弁および第２弁をさらに備え、
前記第１弁は、対応する前記膨張装置のすぐ上流のインラインにあり、第２弁は、対応する蒸発器のすぐ下流のインラインにあって、
両弁は、前記圧縮機が「ＯＦＦ」のときに前記第１弁および前記第２弁を閉じることによって冷媒の流れを停止させ、前記圧縮機が「ＯＮ」のときに前記第１弁および第２弁をａｉが開いて前記冷媒が前記サイクルを正常に流すことを可能にすることで、前記冷凍サイクルａｉによって前記ＭＣＦＢＴにおいて行われる冷却作業を保全する、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のシステム。

【請求項5】

前記冷却システムは、スターリング冷却器と、冷却ヘッドと、再生器と、を備えるスターリングチラーサイクルであって、
前記システムの複数の前記蒸発器は、ふるい分け回路内にあって、熱作動流体で満たされており、前記スターリングチラー冷却ヘッドに取り付けられている、請求項１から請求項４の何れか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記冷却システムは、
ヒートシンクに取り付けられた「熱」側面を備えた熱電モジュール冷却器と、
前記熱電モジュール冷却器の「冷」側面と、
を備える熱電冷却サイクルであって、
前記システム内の気化器の大部分は閉ループ内にあって熱作動流体で満たされている、請求項１から請求項５の何れか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記冷却システムは、
電気音響トランスデューサと、共振器と、共振器と、
再生器と、
低温熱交換器と、
を備える電気音響トランスデューササイクルであって、
前記システムの複数の前記蒸発器熱交換器は閉回路内にあって、熱作動流体で満たされており、前記低温熱交換器に取り付けられている、請求項１から請求項６の何れか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、水の凝華（deposition of water）として知られる熱力学的プロセスを利用した大気中の水の回収および／または調達に関する。本開示はまた、一般に、大気中の水蒸気を引き寄せて捕捉するように設計された装置に関連し、捕捉した水蒸気を霜の形態で固体状態に瞬時に相変化させる凝華として知られるプロセスと、取得された霜を取り出す機構と、取り出した霜を液体状態に相変化させるプロセスと、そして最後に、例えば上水、飲料水、農業その他商業用または個人用を含む様々な用途、システム、製品、デバイスおよび／またはコンポーネントのための、液体水の保管および／または使用に関する。

【背景技術】

【0002】

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年１１月１６日に出願された米国仮出願第６１／４１３，９９５号および２０１１年９月８日に出願された米国仮出願第６１／５３２，１０４号に対する優先権を主張する。これらの優先出願の内容は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本出願は、２０１０年１１月１６日に出願された米国仮出願第６１／４１３，９９５号、２０１１年９月８日に出願された米国仮特許出願第６１／５３２，１０４号、２０１２年１１月１５日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０６５１７０、２０１２年１１月１５日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２０１２／０６５１７４、２０１６年７月１１日に提出されたＰＴＣ／ＵＳ２０１７／０４１５３０、２０１６年１２月８日に付与されたメキシコ特許第３４４１８８号、２０１７年７月１８日に付与された米国特許第９，７１１，７０５号にも関連する。これらの関連出願の全ては、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。今日、結露を利用して大気から水蒸気を回収するために、多くのデバイス、システム、および製品が存在し使用されている。水の凝縮は温度と圧力の両方に依存するため、このようなデバイス、システム、および製品は、入ってくる大気空気および構成水蒸気の絶えず変化する多数の周囲温度および圧力に対応するように、企画および／または設計されなければならない。前述の企画および／または設計上の考慮事項のせいで、必要とされるシステム水の結露条件を達成すると同時にシステム全体の実効性を得るためには、周囲温度および圧力のこれらの変化が、組み込まれるシステムのコストと継続的なエネルギーコストの大幅な上乗せをもたらすことになる。

【0003】

一部の製品では、変動する周囲大気条件に対応するための設計により、パッケージ全体のサイズ、重量、コンポーネントが上乗せされ、最終製品、設置、運用のコストが増加する。多くの場合、大気中の水を回収するシステムの能力と効果は、周囲の相対湿度と温度条件に直接関連している。全体的なパフォーマンスは、相対湿度が低く温度が高いと低下し、多くの場合、有用な水が回収されるのは、相対湿度が３０％超の大気条件中にあるシステムに限定される。さらに、現在市販されている結露に基づくシステムの全てにおいて、より低い相対湿度レベルでは、液体水の取得量が減少し取得される水の単位当たりのコストは増加する。さらに、大気中の水の露点が水の氷点未満になった場合には、現在市販されている凝縮に基づくシステムでは水回収は不可能である。

【0004】

使用可能な液体水を取得および供給するために、貯水池、河川、帯水層、地下水井戸、廃水処理プラント、脱塩プラントなど、他の多くの水セクタが存在している。これらの供給源およびシステムの多くは、何世紀にもわたって成功裏に使用されてきた。しかしながら、世界の人口が増加の一途をたどる中、水不足がますます広がっている。さらに、人類の水需要と気候変動が増え続けているのに対し、現在の貯水池、河川、帯水層の容量は一貫して減少している。これらの供給源の汚染によっても、人口および産業が使用可能な液体水にアクセスできなくなっている。さらに、前述の全ての供給源には、供給源から水を取得する際のエネルギーコストとメンテナンスコストが組み込まれている。

【0005】

さらに、多くの場合、前述の供給源は全て、補助的なメンテナンスおよびエネルギーを必要とする分配システムに依存している。これらの補助的な要件によって、エンドユーザに供給される単位あたりの水に追加コストが加えられる。

【0006】

現在、エンドユーザに水を輸送するためには多数の分配方法が採用されている。いくつかの一般的な例は、水道橋、パイプ、トラック、船舶、および／またはこれらの方法の異なる組み合わせである。しかしながら、これらの方法は、人口規模およびシステム利用期間の増加とともに水供給システムのエネルギーコストおよび／または維持コストが増加するため、一般に不十分である。多くの場合、世界の先進国の例でさえ、エンドユーザに向かう途中でのパイプ漏れにより、供給可能な水の３０％から５０％超が失われている。現代の水道システムの場合、取得した供給可能な水のかなりの量が、供給源の場所から地方の分配プラントへ、エンドユーザへと移動する間に、大気に蒸発している。さらに、場合によっては、水の取得、分配および供給のためのエネルギー使用量は、人口のエネルギー消費全体の２０％にも達することがある。したがって、増加する人口の増加する水需要を満たすためには、使用可能な清潔な水をより効率的かつ効果的に回収および供給するための製品および／または改良された装置やシステムが必要である。

【0007】

さらに、人口が都市にますます移住して、これらの人口内または近隣における商業上および産業上の関心が高まっているため、必要な水を効率的かつ効果的に地元で取得して分配、供給および関連するメンテナンスコストを削減または排除するための、改良されたデバイス、システム、および製品が必要とされている。 本開示は、従来技術の欠点の少なくとも１つを克服および／または改善することを目的とする。

【発明の概要】

【0008】

本明細書に記載される例示的な実施形態は、熱力学的プロセスである凝華を利用した、大気から取得される水蒸気（大気水蒸気とも称する）の回収に関し、これにより霜および／または氷を捕捉し得る。例示的な実施形態では、捕捉された霜および／または氷は、収集領域または収集面から取り出され、霜が溶けて液体水になることができるように熱制御された環境で貯蔵され得る。

【0009】

例示的な実施形態では、取得した大気水蒸気は、回収、変換、貯蔵および／または供給され、これによってユーザの所望の場所においてオンデマンドで利用可能とされ得る。例えば、例示的な実施形態では、分配および／または供給される液体水の必要性が、装置、システム、および／または製品によって排除または低減され得る。

【0010】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、様々な温度の大気から取得され得る。例えば、例示的な実施形態では、装置、システム、および／または製品は、任意の気候帯（例えば、熱帯、温帯、または極地）において、所望の量の大気水蒸気を取得し得る。

【0011】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、様々な高度の大気から取得され得る。例えば、例示的な実施形態では、装置、システム、および／または製品は、海面および／または高い高度およびその間の任意の高度において、所望の量の大気水蒸気を取得し得る。

【0012】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、様々な相対湿度（Ｒ．Ｈ．）レベルの大気から取得され得る。例えば、例示的な実施形態では、装置、システム、および／または製品は、５％Ｒ．Ｈ．未満、１０％Ｒ．Ｈ．、２０％Ｒ．Ｈ．、３０％Ｒ．Ｈ．、および／またはより大きなＲ．Ｈ．レベルにおいて、所望の量の大気水蒸気を取得し得る。

【0013】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、屋外環境の大気から取得され得る。

【0014】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、屋内環境の雰囲気から取得され得る。

【0015】

例示的な実施形態では、所望の量の大気水蒸気が、屋内および／または屋外環境の雰囲気の組み合わせにおいて取得され得る。

【0016】

例示的な実施形態では、取得された大気水蒸気は、システムの収集領域内に周囲大気の温度よりも低い温度を使用することによって、装置、システム、および／または製品内に引き寄せられ得る。

【0017】

例示的な実施形態では、取得された大気水蒸気は、システムの収集領域内に周囲の雰囲気の圧力よりも低い圧力を使用することによって、装置、システム、および／または製品内に引き寄せられ得る。

【0018】

例示的な実施形態では、取得された大気水蒸気は、システム内の収集領域内に周囲大気の温度および圧力の組み合わせよりも低い温度および低い圧力の何らかの組み合わせを使用することによって、装置、システム、および／または製品内に引き寄せられ得る。

【0019】

例示的な実施形態では、捕捉された霜は、収集面から霜を掻き取ることによって取り出され得る。

【0020】

例示的な実施形態では、捕捉された霜は、収集面上の振動周波数を利用する手段によって取り出され得る。

【0021】

例示的な実施形態では、捕捉された霜は、収集面上に防氷性コーティングを適用することで支援される重力によって取り出され得る。

【0022】

例示的な実施形態では、冷凍サイクルシステム（例えば、圧縮機、凝縮コイル、膨張装置、蒸発器コイルおよび作動流体）によって、収集領域または収集面が低温とされ得る。

【0023】

例示的な実施形態では、スターリングサイクルシステム（例えば、スターリングチラーおよび再生器）によって、収集領域または収集面が低温とされ得る。

【0024】

例示的な実施形態では、ペルチェ効果（例えば、熱電モジュールチラーおよびヒートシンク）によって、収集領域または収集面が低温とされ得る。

【0025】

例示的な実施形態では、熱音響冷凍システム（例えば、電気音響変換器、共振器、再生器、高温および低温熱交換器および音響媒体または作動流体）によって、収集領域または収集面が低温とされ得る。

【0026】

例示的な実施形態では、まず、液体窒素カートリッジの制御放出によって収集領域または収集面が低温とされ、その後、先に記載した冷却方法のいずれかによって維持され得る。

【0027】

例示的な実施形態では、先に説明した冷却方法のいずれかによって収集領域または収集面が低温に維持され得るが、冷却プロセスに使用されるシステムが必要とする仕事量（work）を低減するために、相変化材料（phase change material、ＰＣＭ）を添加して収集領域内における熱障壁として使用し得る。例えば、液体から固体への相変化点が－３５℃のＰＣＭ内に蒸発コイルを封入すると、選択した冷却システムは、例えば３０℃の大気の周囲温度から所望の－４０℃まで、７０℃にもなり得るような非常に大きなサーマルデルタで作動し続けるのではなく、－３６℃でオンになった後に例えば－４０℃で再びオフになり、４℃のサーマルデルタを維持しながら最小量の仕事（work）を行うようにシステムを設計できる。さらに、物体の固相の比熱は、一般に、その液体または気体状態の比熱よりも低く、これは固体状態のＰＣＭを冷却する方が液体または気体状態のＰＣＭを冷却するよりも１グラム１℃当たりのエネルギーが少なくて済むことを意味する。

【0028】

例示的な実施形態では、収集領域内を低温に維持し、冷たい乾燥空気の出口手段を設けることによって、収集領域の圧力が周囲圧力よりも低くされ得る。

【0029】

例示的な実施形態では、システムの冷却サイクルによって生成した熱は、捕捉された霜を融解して液体水にするために使用され得る。

【0030】

例示的な実施形態では、新たに融解された液体水（冷水）は、熱を減少させ、それによりシステムの冷却サイクルのエネルギー需要を低減するために使用され得る。例えば、システムの冷水タンクを横切って空気を吸入するように凝縮コイル用のファン入口を配置して必要とされるファン速度を低下させ、これによってシステムに必要な全体的なエネルギーを低減してもよい。

【0031】

例示的な実施形態では、液体ラインの端部における冷媒の状態を制御するために、冷凍サイクル冷却システムのキャピラリーチューブ膨張装置の一部が、蒸発コイルの低温ＰＣＭに埋め込まれ、或いは部分的に埋め込まれて、システムのエネルギー要件が低減され得る。

【0032】

例示的な実施形態では、冷却システムによって発生する熱は、凝縮コイルの前もしくは後に液体ＰＣＭ塊（liquid PCM mass）中に埋め込まれたブレージングプレート熱交換器を用いて、例えば給湯器もしくは空間ヒータのような別のシステムに転送され、規制されて、システムに必要とされる仕事量およびエネルギーが低減され得る。

【0033】

例示的な実施形態では、装置、システム、および／または製品は、エンドユーザに供給されるべき量の水が重力によって確実に供給されるように据え付けられ、それによりポンプの使用および付随的なメンテナンスおよび／またはエネルギーコストが削減または排除されるように、設計され得る。

【0034】

例示的な実施形態では、装置、システム、および／または製品に、保証された飲料水を供給するための追加の濾過装置の使用を採用し得る。

【0035】

概要で論じた実施形態に加えて他の実施形態も、明細書、図面、および特許請求の範囲に開示されている。概要は、本開示について企図される全てのそれぞれの実施形態、組み合わせ、または変形を網羅することを意味するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0036】

以下、例示的な実施形態について、あくまで例示として、添付の図面を参照しつつ説明する。

【0037】

図１は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、例示的な実施形態の模式図である。

【0038】

図２は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図２は、蒸発コイルを低温封入ＰＣＭに埋め込むことにより冷凍サイクルによって行われた冷却仕事の一部を保全する手段を図２が開示している点を除いて、図１と同様である。

【0039】

図３は、図２の埋め込まれた蒸発コイルの模式図である。

【0040】

図４は、図３の埋め込まれた蒸発コイルの断面図である。

【0041】

図５は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図５は、図５では凝縮コイルおよび膨張装置の端部もまた、図２、図３および図４に開示された低温封入ＰＣＭに埋め込まれている点を除いて、図２と同様である。

【0042】

図６は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図６は、図６においてブレージングプレート熱交換器がファンに置き換えられており、取得した熱エネルギーを凝縮コイルが二次システムに伝達する点を除いて、図５と同様である。

【0043】

図７は、図１、図２、図５および／または図６に開示された例示的な実施形態の模式図であり、大気水蒸気を収集領域におよび収集領域から、引き寄せ、方向付け、循環させる方法を開示している。

【0044】

図８は、霜収集面を熱的に隔離する方法を開示する図７の細部の模式図である。

【0045】

図９は、霜収集面間の体積サイクルを制御する方法を開示する図８の、別の細部の模式図である。

【0046】

図１０は、収集面から集積水タンクに霜を除去する方法を開示する図７の、別の細部の模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0047】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、大気水蒸気を引き寄せ、水の凝華として知られる熱力学的プロセスを利用して回収することを目的としており、凝華において、水蒸気は液相および相を蒸気から氷または霜に直接「スキップ」する。

【0048】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、水の凝華に必要な氷点下の温度を達成し維持することが可能な現在の冷凍システムのエネルギー要件を低減することを目的としている。特定の実施形態は、化石燃料および／またはエネルギー電力網から、少なくとも１０％または１００％まで独立していてもよい。

【0049】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、水蒸気が固相に相変化したときに水蒸気内から放出される熱エネルギーのごく一部分を、また他の実施形態はかなりの部分を、転用することを目的としている。特定の実施形態では、作動流体を利用するシステムにおいて仕事を行うため、取得した熱エネルギーを運動エネルギーに変換することによって取得した熱エネルギーを転用する補助システムを採用してもよい。例えば、熱エネルギーは、熱エネルギーが熱エンジンを駆動するために使用される補助システムに振り向けられてもよい。振り向けられた熱エネルギーを利用する補助システムを使用することでも、廃熱を環境に除去する一次システムの凝縮コイルの仕事量が削減され、圧縮機の電気的要件が低減され得る。

【0050】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、自然環境および人工的環境のためだけでなく経済的理由のためにも、有益となり得る。例示的な実施形態において、システム、方法および／または装置は、少なくとも特定の用途について、システムへの外部送電の必要性を排除または低減し得る。例示的な実施形態において、水蒸気から取得された熱エネルギーは貯蔵されてもよい。他の例示的な実施形態において、熱エネルギーは、システムの別の場所または補助的なシステムに輸送されてもよく貯蔵されてもよい。

【0051】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、捕捉された霜の液体水への相変化を利用して、冷凍サイクルの凝縮側を補助し、システム全体のエネルギー所要量を低下させることを目的とする。

【0052】

本明細書に記載する例示的な実施形態は、自然環境および人工的環境のためだけでなく経済的理由のためにも、有益となり得る。例示的な実施形態において、システム、方法および／または装置は、少なくとも特定の用途について、外部の水分配および／または供給システムによって提供されるべき水の必要性を排除または低減し得る。例示的な実施形態において、システム、方法および／または装置は、エンドユーザの所在地に直に設置され、エンドユーザの内部の水システムに直に接続され得る。特定の用途において、特に新規建設のために、本明細書に記載する例示的な実施形態は、地方自治体の地下または他の送水システムのコストおよび／またはメンテナンスを低減または排除し得る。本明細書に記載する例示的な実施形態の特定の用途では、エンドユーザへのトラックによる水の供給のコストが低減または排除され得る。さらに、本明細書に記載する例示的な実施形態において、システム、方法および／または装置は、エンドユーザの送水ポンプの必要性を排除または低減し得る。

【0053】

図１は、凝華として知られている水蒸気を瞬時に凍結させる熱力学的プロセスを利用して大気水蒸気を捕集するためのシステムの、例示的な実施形態の模式図である。図１の例示的な実施形態は、より一般的に知られている水の凝縮の熱力学的プロセスを利用して大気から液体水を回収する現在の大気水回収システムを、改善したものである。

【0054】

図１の大気水回収器は、３つのプロセスから構成されている。最初のプロセスは、冷蔵庫および／または冷凍庫で日常的に使用されている十分に確立された市販の冷凍サイクルによって、駆動される。交流または直流電気である入力エネルギー１は、スイッチ４および温度センサ５によってオン／オフ状態が決定される圧縮機２およびファン３に、電力を供給する。閉ループ冷凍サイクルは、圧縮機２、凝縮コイル６、膨張装置７、および蒸発コイル８から構成される。典型的には商業用冷媒である一定体積の作動流体が、前述の閉ループ冷凍サイクル内にシールされる。システムが「ＯＮ」状態にあるとき圧縮機２はオンになり、システムが「ＯＦＦ」のときに典型的には蒸気状態にある凝縮コイル６内の作動流体を圧縮して、液体にする。ファン３もまたオンになり、凝縮コイル６を横切るように周囲空気を吹き付けて、作動流体の熱エネルギー１５の一部が凝縮コイル６の壁を通ってシステムから周囲空気中に出ていくのを補助する。作動流体からの熱エネルギー１５を圧縮除去するプロセスによって、作動流体が蒸気状態から液体状態に凝縮される。また、冷凍サイクルのこの部分は、システムの「高圧／高温側」として知られている。「高圧」は、圧縮機２が凝縮コイル６の一方の端部に冷媒（作動流体）を圧送し、冷媒の流れが凝縮コイル６の反対側の端部で膨張装置７により制限されることによって、生じる。「高温」は、プロセスのこの段階で熱エネルギー１５が凝縮コイル６の壁を通ってシステムを出ていく結果である。膨張装置７は、システムの対向側の蒸発コイル８への凝縮コイル６からの作動流体の流れを制限するが、システムの対向側はシステムの「低圧／低温側」として知られている。低圧は、蒸発コイル８の一方の側にある膨張装置７を通る作動流体の流れが制限され、蒸発コイル８の反対側の端部にある圧縮機２による吸引によって、蒸発コイル８の内部に生じる。作動流体もしくは冷媒は、膨張装置７を出ると蒸発コイル８に入るが、蒸発コイル８内は圧力が低いため、段階的に蒸気状態へと移行する。圧縮機に戻る途中における液体から蒸気への作動流体の相変化により、蒸発コイル８の壁を通して熱エネルギー１５がシステム内に引き込まれ、蒸発コイル８および取り付けられた霜収集面９が冷却される。このサイクルは、大気水蒸気を回収するシステムプロセス用に設計された霜収集面９の温度が温度センサ５によって検出され、冷凍サイクルの圧縮機２およびファン３を「ＯＦＦ」にするスイッチ４が開かれるまで、継続される。例えば、霜収集面の設計温度は、－１０℃、－２０℃、－３０℃、－４０℃、－５０℃、またはより低くてもよい。 例えばまた、霜収集面９の温度が－１０℃超の場合は「ＯＮ」になり、霜収集面９の温度が－４５℃未満の場合は「ＯＦＦ」になるように、センサを設定してもよい。

【0055】

図１の大気水回収器の第２のプロセスは、霜収集面９に近接および／または接触してくる大気の構成水蒸気の間の熱力学的反応プロセスによって、駆動される。この反応プロセスは、熱力学の第二法則の直接的な結果であり、一方向伝達が必要とされることで高温の物体から低温の物体へと熱が移動する。図１の大気水回収器の場合、高温の物体は水蒸気１３であって、低温の物体である霜収集面９と相互作用する。あらゆるエネルギー伝達システムの場合と同様に、高温と低温の差が大きいほどエネルギーのポテンシャルおよび伝達速度は大きくなる。

【0056】

熱伝達プロセスの強度は、フーリエの法則としても知られる熱伝導の法則を使用して簡単に計算および／または表現され得る。
Ｑ＝（ｋ／ｓ）Ａ ｄＴ＝Ｕ Ａ ｄＴ
式中、
Ｑ＝熱伝達量（Ｗ）
ｋ＝材料の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｓ＝材料の厚さ（ｍ）
Ａ＝伝熱面積（ｍ^２）
Ｕ＝ｋ／ｓ＝熱伝達係数（Ｗ／（ｍ^２Ｋ））
ｄＴ＝ｔ１－ｔ２＝材料全体の温度勾配（差）（℃）

【0057】

簡単に言えば、上記式の他の全ての条件が静的であるため、高温の物体と低温の物体との間のｄＴが大きいほど熱伝達量は大きくなる。例えば、周囲の水蒸気１３（高温物体）の温度として４０℃、霜収集面９（低温の物体）のシステム設計温度を－１℃とすると、ｄＴは４１℃に等しくなる。霜収集面９のシステム設計温度を、例えば－５０℃に下げると、ｄＴが９０℃に広がって熱エネルギー伝達率は増加する。

【0058】

霜の成長速度に影響を与える最大の要因は水蒸気１３と霜収集面９との間のｄＴであるということが、過去５０年間に亘って発表された多数の科学的研究で詳述され、十分に確立された結論である。霜の蓄積は航空宇宙産業および冷凍産業におけるシステムに悪影響を及ぼすため、これらの多くの研究はそもそも、霜の成長速度条件を理解し、これらの産業における霜の成長のプロセスを遅くまたは制限する方法を開発するエンジニアを支援するために、行われたものである。図１の大気水回収器では、目標は逆で、霜の成長を促進し高速化することである。

【0059】

研究で見つかった霜の成長速度の他の要因は、霜の層が厚くなるにつれて霜の成長速度が遅くなるということである。ほとんどの研究は、この霜の成長の鈍化は、主に２つの影響によるものと結論付けているが、第１は霜の結晶特性の影響であって、霜収集面９よりも入ってくる水蒸気１３の接触点となる霜の中に、エアポケットや空隙が生じる。第２は霜の層自体の影響であって、これが厚くなるにつれて、入ってくる水蒸気１３と霜収集面９との間に熱障壁、または断熱層が作り出される。ｄＴは狭くなり、式中におけるｋ、ｓ、Ａなどの他の熱伝達特性が、もはや静的でなくなる。水蒸気１３は、直接霜収集面９とは熱的に接触しなくなり、霜の層に接触する。しかしながら、凝華プロセスを利用して大気水回収のために設計されたシステムでは、図１の大気水回収器の第２のプロセスのために、水蒸気１３からの迅速な霜成長速度を最適化することが極めて重要である。図１のシステムは、霜収集面９の温度が低温、例えば－５０℃に維持されていることによる利益、例えば４０℃であり得る水蒸気１３に対して大きなｄＴが残っていることが担保された上述の冷凍プロセスによる利益を享受し得、蓄積した霜１４の層を剥ぎ取って霜収集面９から遠ざける、以下に説明する手段またはプロセスが設けられてもよい。

【0060】

したがって、図１の大気水回収器の第３のプロセスは、電気的な入力エネルギー１によって駆動されるスクレイパーアクチュエータ１１によって駆動されるスクレイパー１０である。スクレイパー１０は、時間管理された固定のスクレイパー経路１２に沿って移動し、霜１４の新しい層を除去して霜収集面９から遠ざける。例えば、スクレイパーアクチュエータは、掻き取りが行われる前の霜１４層の深さが最大で０．１ｍｍに達することを許容するようにプログラムされてもよい。図１の大気水回収器の霜収集面から霜１４を掻き取る際、例えば重力によって霜１４を液体水収集容器２１内へと方向付け、最終的に液体水２２に融解させて使用できるようにしてもよい。液体水収集容器２１に入った霜１４を融解させるのに必要な入力エネルギーは、ほとんどの環境において、霜収集面９と比べてはるかに温かい液体水収集容器２１の周囲環境の大気によって伝達され得る。

【0061】

図２は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図２は、図２において、ＰＣＭ封入タンク１６内に封止された低温ＰＣＭ１７に蒸発コイル８を埋め込むことにより、冷凍サイクルによって行われる冷却仕事の一部が保全され、システム全体の冷却エネルギー要件が低減され得ることを除いて、図１と同様である。

【0062】

蒸発コイル８を低温蓄熱ＰＣＭ１７内に封入すると、蒸発コイル８と、はるかに暖かい冷却されるべき水蒸気１３との間の接触がなくなる。また、開示されているように蒸発コイル８を封入すれば、圧縮機のオン／オフサイクル時の本実施形態のシステムによる霜収集面９の再冷却が、防止もしくは低減される。このようにすれば、関連部分に利点がもたらされ、圧縮機２の仕事によって達成された蒸発コイル８の低温も保持される。公知の冷凍サイクルシステム圧縮機は、一般に、一日に複数回オン／オフサイクルし、各サイクルによって達成された蒸発コイルを囲む空気を温める仕事のかなりの部分、場合によっては全てが、失われてしまう。しかしながら、蒸発コイル８が低温蓄熱ＰＣＭ１７内に封入されていれば、低温蓄熱ＰＣＭ１７が水蒸気１３と蒸発コイル８との間の断熱障壁として機能するため、各サイクルの仕事の一部が保全される。さらに、蒸発コイル８の始端部および終端部に自動弁を追加すれば、システム動作サイクルの「ＯＦＦ」期間中、蒸発コイル８内の作動流体の温度および低圧の両方が低温蓄熱ＰＣＭ１７によって維持され得、前の「ＯＮ」サイクル中に圧縮機２によって行われた仕事の関連部分が保全される。

【0063】

蒸発コイル８を封入する最適な低温蓄熱ＰＣＭ１７の選定は、入ってくる水蒸気１３に合わせた所望のｄＴを維持する目的で、主に霜収集面９の所望の設計温度に基づいてもよい。例えば、定期的に３０℃を超える周囲温度に達する環境中で、霜収集面９の所望の設計温度が－４０℃であるように決定された大気水回収システムでは、低温蓄熱ＰＣＭ１７に、例えば固相から液相への相変化温度が－３０℃であるものを選定し得る。

【0064】

上記の例で－３０℃の低温蓄熱ＰＣＭ１７を選択する主な理由は、２つある。第１に、霜収集面９を－４０℃に維持するためには、水蒸気１３の入ってくる熱エネルギーと冷凍サイクルシステムの冷却能力によって、低温蓄熱ＰＣＭ１７を－４２℃～－４５℃の間まで断続的に冷却する必要がある。このような特定温度のシステムの設計では、コンプレッサの２つの温度センサ５を、例えば－４２℃でシステムを「ＯＮ」にし、－４５℃で再び「ＯＦＦ」するように設定して、冷凍サイクルが、霜収集面９の所望の－４５℃と、入ってくる水蒸気１３の３０℃との差である７５℃ｄＴではなく、３℃ｄＴだけ冷却するようにしてもよい。加えて、冷却／加熱するために固相のＰＣＭが必要とするエネルギーは、一般に、それぞれが液体段階で必要とするよりも約５０％少ない。例えば、液体から固体へ、または固体から液体への相変化点が０℃の水は、固体状態では２．０６Ｊ／ｇ℃しか必要としないが、液体状態では４．１８Ｊ／ｇ℃を必要とする。さらに、相変化点での１℃の温度変化に対する相変化は、その１℃の温度変化のためにさらに３３４Ｊ／ｇを必要とする。

【0065】

ほとんどの冷凍システムでは、蒸発器温度が－２０℃未満で、全ての固体がそれぞれの固体状態において低い比熱容量を有しているだけでなく典型的には液体状態におけるよりも優れた熱伝導体である場合に、冷却能力および冷却効率が低くなる。簡単に言えば、物質を加熱または冷却するために必要な仕事量、そしてそれによりエネルギーは、それぞれが固体状態にあれば、液体状態にあるよりもはるかに少ない。したがって、運転中、所定のＰＣＭの塊を－４２℃未満の温度に維持するのに必要な仕事量は、変化する屋外環境から入ってくる量の水蒸気と空気を－４５℃に冷却する冷凍サイクルよりもはるかに少ない。 このように、システムの冷凍サイクルが低温ＰＣＭ１７塊を例えば－４２℃から－４５℃に冷却するだけで、低温ＰＣＭ１７塊は、入ってくる水蒸気１３を水蒸気１３が入ってくる温度から－４５℃まで冷却する。

【0066】

第２に、大気水回収システムが常に動作している必要はない。液体水収集容器２１が例えば満杯である場合、ユーザはシステム全体を遮断してもよく、それによって圧縮機はもはやサイクルしなくなる。システムは、日常的な清掃やメンテナンス作業を行うためにシャットオフされてもよい。低温ＰＣＭ１７塊は、主にＰＣＭ封入タンク１６がより暖かい隣接環境からどの程度良好に断熱されているかに依存する速度で、ゆっくりと温度上昇するであろう。しかしながら、低温ＰＣＭ１７が上記の例のように－３０℃の相変化温度を有している場合、－３０℃から－２９℃までの昇温に要する時間は、融解潜熱によって１℃当たり１００倍を超える時間係数で延長される。もし、ＰＣＭ封入タンク１６がより暖かい温度から十分に断熱されていれば、低温ＰＣＭ１７は、数分間ではなく数日間にわたって－３０℃に維持され得る。これに対し、低温ＰＣＭ１７封入のない標準的な蒸発コイル８は、たとえ十分に断熱されていても、システムがシャットダウンされてから数分以内に、周囲温度に非常に近い温度まで暖められるであろう。さらに、低温ＰＣＭ１７封入のないシステムを再起動するには、－４０℃の霜収集面温度を達成するために、９５℃の熱的「引き下げ（pull-down）」が必要な場合があるが、蒸発コイル８の周囲に低温ＰＣＭ１７封入を追加すると、システムは、例えば１５℃の熱的「引き下げ」のみを必要とすることになり、再起動時の時間とエネルギーの両方が節約される。

【0067】

図３および図４は、図２に開示されたＰＣＭ封入タンク１６の内部に埋め込まれた蒸発コイル８の模式図である。図３および図４の例示的な実施形態は、水の凝華のプロセスに有益なＰＣＭ封入タンク１６の材料および材料特性を選択する有用な設計方法を開示する。ＰＣＭ封入タンク１６の表面および裏面は、それぞれ霜収集面９である。ＰＣＭ封入タンク１６構造には、良好な熱伝導率を有する不透過性材料が用いられるべきである。さらに、壁の厚み、材料の厚み、大気に対する反応性、ＰＣＭに対する反応性、仕上げの滑らかさ、製造の容易さ、および材料の入手し易さも、適切な選択のために重要な特性である。例えば、ＰＣＭ封入タンク１６は水蒸気にさらされるであろうが、長期間にわたって－３０℃未満の温度に維持されて低温ＰＣＭ１７を保持し、この低温ＰＣＭ１７は、例えば、低温ＰＣＭ１７の相変化設計温度を設定するための割合の蒸留水とエタノールの混合物を含んでいてもよい。霜収集面９でもあるＰＣＭ封入タンク１６の外側表面の仕上がりが平滑であるほど、堆積した霜１４は簡単に除去され得る。１１００、３００３、３００４および５０５２といったグレードのアルミニウムシートは、耐食性を有し、高い熱伝導性を有し、軽量であり、そして市場で容易に入手可能であるので、ＰＣＭ封入タンク１６のシェルとして使用され得る。ステンレス鋼は、前述のグレードのアルミニウムよりもヤング弾性率および引張強度に優れているため、それらのグレードのアルミニウムに加えて３１６ステンレス鋼もまた、ＰＣＭ封入タンク１６のシェルとして使用され得、価格および重量に基づいて選択され得る。本明細書に記載のアルミニウムおよびステンレス鋼のグレードは単なる一例であって、前述の材料特性の値に基づいて他の材料を選択してもよい。霜収集面９は平坦であるべきであるため、タンクの内側面には、表面の変形を防ぐために、－４５℃未満の温度に耐えることができる耐食性エポキシを使用してタンク内部ブレーシング２３のチャネルが取り付けられる。

【0068】

蒸発コイル８は、蒸発器入口穴２４を通ってＰＣＭ封入タンク１６に入る。蒸発コイル８は、タンク内部ブレーシング２３のチャネルの周りを曲がるように成形されており、これが内部に封止されるＰＣＭ封入タンク１６の内部に封入された低温ＰＣＭ１７を最も均等に冷却できるように、ＰＣＭ封入タンク１６の内部に均等に分布していてもよい。蒸発コイル８は、蒸発器出口穴２５を通ってＰＣＭ封入タンク１６から出る。低温ＰＣＭ１７が経時的に劣化するのを防止するため、蒸発器入口穴２４および蒸発器出口穴２５は、ＰＣＭ封入タンク１６の外部に対するシーリングを必要とする。加えて、ＰＣＭ封入タンク１６の内部に、温度センサチューブ２８を貼付して設置してもよい。低温ＰＣＭ１７が経時的に劣化するのを防止するため、この温度センサチューブ２８は、ＰＣＭ封入タンク１６の外部に対するシーリングを必要とする。ＰＣＭ封入タンク１６の縁部は、機械的に封止されたタンクを形成するため、接着剤を使用しておよび／または溶接されて、シールされてもよい。タンクがシールされた後、低温ＰＣＭ１７でタンクを充填するために、ＰＣＭタンク充填開口２６およびＰＣＭタンク通気開口２７を使用してもよい。低温ＰＣＭ１７が経時的に劣化するのを防止するため、ＰＣＭタンク充填開口２６およびＰＣＭタンク通気開口２７は、ＰＣＭ封入タンク１６内にシールされてもよい。

【0069】

図５は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図５は、図５では、凝縮コイル６および膨張装置７の端部もまた、図２、図３および図４に開示されたＰＣＭ封入タンク１６に封止されている点を除いて、図２と同様である。冷凍業界では、冷媒過冷却がシステムの性能を向上させエネルギーを節約する信頼性の高い方法であることは、よく理解されている。凝縮コイル６、圧縮機２内の冷媒を過冷却するため、類似および別個のシステムの使用に加えて多くのアプローチが公知となっており、使用されている。これらのアプローチは、通常、冷凍サイクルシステムに複雑さとコストを追加する。主に、蒸発器に入る前の冷媒の品質がシステム全体の性能に影響を与えることが十分に理解されているため、このテーマについてはかなりの研究が行われている。本明細書に記載される新しいアプローチは、蒸発コイル８がＰＣＭ封入タンク１６に保持された低温封入ＰＣＭ１７に埋め込まれているために、可能である。冷媒の過冷却は、業界では「液体ライン」とも呼ばれる凝縮コイル６の端部と、キャピラリーチューブ膨張装置７との両方で行われてもよい。これらの箇所では、冷凍サイクルの他の箇所と比較して特定の時間における冷媒量が比較的少ないため、過冷却は、これら２つの箇所で簡素化され極めて容易となる。これらの箇所の冷媒は、多かれ少なかれ「拘束されている（captive）」であり、熱の影響を受け易い可能性がある。さらに、ＰＣＭ封入タンク１６、低温ＰＣＭ１７、および蒸発コイルの温度は、サイクル中に温度が低下しているため、少量の冷媒と比較して多大なヒートシンクを利用できる。膨張装置７の直前に冷媒を過冷却することには、圧縮機２および凝縮コイル６からの過冷却の作業負荷の一部が削減されることに加えて、２つの追加の利点がある。第１の利点は、冷媒が、膨張装置７を通過して蒸発コイル８に入る際、実際に完全に液体状態であることが保証される点である。第２の利点は、低い温度の液体冷媒が高い粘度を有し、膨張装置内に大きな抵抗をもたらす点である。したがって、ＰＣＭ封入タンク１６内部のエアポケットに液体ラインを配置すれば、システムに追加コストをかけずに圧縮機２および凝縮コイル６の両方の作業負荷が効果的に低減され得る。

【0070】

図５は、２つのボール弁３０を含んでいることでも、図２に開示されたシステムとは異なっている。ボール弁３０の１つは膨張装置７の直前のインラインにあり、第２のボール弁３０は蒸発コイル８の直後のインラインにある。２つのボール弁３０の目的は、圧縮機２が「ＯＦＦ」のときに２つのボール弁３０を閉じて冷媒の流れを止めることにより、冷凍サイクルによって低温ＰＣＭ１７に対して行われる冷却仕事を保全することである。サイクルに２つのボール弁３０が追加されていなければ、圧縮機２がオフになったとしても、凝縮コイル６の内部で、システムの高圧側の冷媒は両側が等しい圧力になるまで低圧側に流れ続けるであろう。圧縮機２が「ＯＮ」されなければ、この流れは凝縮コイル６から蒸発コイル８に熱をもたらし、この熱が冷却器低温ＰＣＭに吸収されて、次の「ＯＮ」サイクルでの不要な仕事を追加するであろう。圧縮機２が「ＯＮ」のとき、２つのボール弁３０は開かれて、冷媒は正常に循環可能となる。

【0071】

図６は、凝華として知られる熱力学的プロセスによって大気水蒸気を回収するためのシステムの、別の例示的な実施形態の模式図である。図６は、図６では、ファン３および凝縮コイル６がブレージングプレート熱交換器１８に置き換えられ、取得した熱エネルギーを二次システムに伝達する点を除いて、図５と同様である。少なくともいくつかの用途では、冷凍サイクルから取得した熱エネルギー１５を、熱エネルギー１５を利用し得る別のシステムに転送することが有用であり得る。図６の例示的な実施形態では、圧縮機２を出た冷媒流は、システムの膨張装置７に入る前にブレージングプレート熱交換器１８を通って流れる。二次システムの作動流体は、流入導管１９を通ってブレージングプレート熱交換器１８の反対側に入る。二次システムの作動流体が、ブレージングプレート熱交換器１８を圧縮機２の冷凍サイクルの逆流方向に通過すると、圧縮機２の後の冷凍サイクルからの熱エネルギー１５は二次システムの作動流体に伝達され、これによって冷凍システムの作動流体が凝縮されて、通常は凝縮コイル５およびファン３によって行われる仕事が達成される。一例として二次システムは、給湯器として、または環境の空間暖房として、有用なものであり得る。

【0072】

図７は、図１、図２、図５および／または図６に開示された例示的な実施形態の模式図であり、大気中の水蒸気１３を、システムの収集領域におよび収集領域から、引き寄せ、方向付け、循環させる方法を開示している。大気水蒸気１３を、システムの収集領域におよび収集領域から、引き寄せ、方向付け、循環させるプロセスは、図１、図２、図５および／または図６に先に開示された冷凍プロセスが霜収集面９の所望の設計温度、例えば－４０℃を達成するまで、開始されない。この「引き下げ」プロセス中に冷凍サイクルが実行されている間、断熱蓋３３は閉止位置にあり、蓋シール３４によってシールされる。収集領域は、断熱シェル３１によって熱的に保護されている。液体水収集容器２１は、タンクシール３６を用いて収集領域の底部に取り付けられている。霜収集面９が適切な温度になると、スクレイパーアクチュエータ１１は、スクレイパーパネル４２が取り付けられた断熱蓋３２をスクレイパー経路１２に沿って開放位置に達するまで持ち上げる。所定時間後、スクレイパーアクチュエータ１１が反転して断熱蓋３３が閉じ、収集領域は再シールされる。蓋は所定時間閉じたままとされ、このプロセスは、液体水収集容器２１が満杯であることを水フロート弁３８が示してプロセスが停止されるまで、繰り返される。上記プロセスは、水フロート弁３８が液体水収集容器２１内の水位が低下したことを示すと再起動され、繰り返される。スクレイパーパネル４２が取り付けられた断熱蓋３２が開放位置にあるとき、温かい周囲空気および水蒸気１３は、熱的引力および圧力的引力の両方によって収集領域に引き込まれる。スクレイパーパネル４２が取り付けられた断熱蓋３３が閉止位置にあるとき、水蒸気１３は瞬時に霜１４として霜収集面９に付着する。収集エリア内に残った空気は冷却され、収集領域から液体水収集容器２１内に落下して、空気フロート弁４０を通過した後に冷却乾燥空気口３９を通って外部周囲環境へと出ていく。スクレイパーパネル４２が取り付けられた断熱蓋３２が再び開くと、霜収集面９上に収集された霜１４は、スクレイパーパネル４２によって上方および外方へと掻き取られて霜収集面９から離れて落下し、最終的には液体水収集容器２１内へと落ちていく。液体水収集容器２１の底部には、タンクの底部が０℃超になるように、霜１４が液体水２２に溶け込むように、タンク熱シンク３７が装着されている。上記プロセスは、水フロート弁３８が液体水収集容器２１の満杯を示した時点でプロセスが停止されるまで繰り返され、水フロート弁３８が液体水収集容器２１内の水位が低下したことを示した時点で再開される。液体水２２は、液体水出口４４を通って液体水収集容器２１から除去され使用されてもよい。

【0073】

図８は、霜収集面を熱的に隔離する方法を開示する図７の細部の模式図である。図８の例示的な実施形態では、外部周囲温度とシステムの収集領域との間に存在するであろう非常に大きなｄＴのために、外部周囲温度からのシステムの収集領域の特別な熱的隔離が必要である。例えば、収集領域温度と外部周囲温度との間のｄＴは、７０℃、８０℃、９０℃、またはより大きくてもよい。妥当なシステム全体サイズを維持するために、断熱シェル３１の厚さを２．６センチメートルに制限する層状アプローチが考案されている。図８の層状アプローチの例示的な実施形態では、断熱シェル３１は通常の冷凍断熱材料よりも少なくとも２８センチメートル縮小されている。図８の例示的な実施形態では、周囲温度５１と相互作用する周囲の外壁上に、グラスファイバー外部シェル４５が、続いてエアロゲル４６の０．７ｃｍの層が、次いで厚さが合計０．６８ｃｍのポリコアパネル（Polycore panels）４７の２つの千鳥層からなるエアポケットスペーサーパネルが、ある。ポリコアパネル４７の後には、収集領域温度５０に曝されるステンレス鋼内部構造シェル４９に取り付けられた１ｃｍ厚のクライオゲンＺ（Cryogen Z）４８の層がある。前述した２．６センチメートルの層状アプローチが９０℃ｄＴを制限し、１平方メートルの表面積にわたって１時間あたりに伝達されるのは、僅か３０ワットとなる。

【0074】

図９は、図７の細部の模式図であって、収集領域への水蒸気１３の流れパターンをさらに詳述しており、断熱蓋（開放）３２、断熱蓋（閉止）３３、蓋シール３４、断熱シェル３１、スクレイパーアクチュエータ１１、スクレイパー経路１２、ＰＣＭ封入タンク１６、霜収集面９およびスクレイパーパネル４２が詳述されている。

【0075】

図１０は、図９の細部の模式図であって、霜１４の掻き取りの流れをさらに詳述しており、断熱シェル３１、ＰＣＭ封入タンク１６、霜収集面９、スクレイパー経路１２、スクレイパーパネル４２、および霜落下方向４３が描かれている。

【符号の説明】

【0076】

１…入力エネルギー
２…圧縮機
３…ファン
４…スイッチ
５…温度センサ
６…凝縮コイル
７…膨張装置
８…蒸発コイル
９…霜収集面
１０…スクレイパー
１１…スクレイパーアクチュエータ
１２…スクレイパー経路
１３…水蒸気
１４…霜
１５…熱エネルギー
１６…ＰＣＭ封入タンク
１７…低温ＰＣＭ
１８…ブレージングプレート熱交換器
１９…流入導管
２０…流出導管
２１…液体水収集容器
２２…液体水
２３…タンク内部ブレーシング
２４…蒸発器入口穴
２５…蒸発器出口穴
２６…ＰＣＭタンク充填開口
２７…ＰＣＭタンク通気開口
２８…温度センサチューブ
２９…温度センサ導線
３０…ボール弁
３１…断熱シェル
３２…断熱蓋（開放）
３３…断熱蓋（閉止）
３４…蓋シール
３５…タンク断熱材
３６…タンクシール
３７…タンク熱シンク
３８…水フロート弁
３９…冷却乾燥空気口
４０…空気フロート弁
４１…冷却乾燥空気
４２…スクレイパーパネル
４３…霜落下方向
４４…液体水出口
４５…グラスファイバー外部シェル
４６…エアロゲル
４７…ポリコアパネル
４８…クライオゲンＺ
４９…内部構造シェル
５０…収集領域温度
５１…周囲温度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2022-09-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

大気水蒸気を引き寄せて捕捉し有用な液体水に変換するためのシステムであって、
複数の低温相変化材料（Low Temperature Phase Change Material、ＬＴＰＣＭ）タンク、チューブ、または容器であって、
個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器の外面は熱伝導性であって、霜収集領域として、水の凝華、水蒸気の固体状態（霜）への瞬間的な変換、各外面上への凝華、のための滑らかな仕上げを有しており、
個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器の内容積のそれぞれは、凝華により大気中の水を回収するにあたって長期間の使用を可能にするため、溶融に抗う引き続いての冷却が必要となる前に固体状態に長期間維持するための熱特性を有するＬＴＰＣＭの塊を含んでいる、複数のＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器と、
個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内の前記ＬＴＰＣＭの温度を低下させ維持するための冷却システムと、
前記冷却システムの複数の蒸発器コイル熱交換器であって、個々の蒸発器が、水蒸気または空気と直接接触しないように、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている、複数の蒸発器コイル熱交換器と、
前記ＬＴＰＣＭを所望の温度に維持して複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器の各表面の温度を水の凝華用に維持するために、前記冷却システムを「オン」または「オフ」サイクルするタイミング機構と、
複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器の配置であって、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器のそれぞれが、他の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器に近接して配置されているが、水蒸気の自由な流れまたは前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器の列の各外面の周りへの集まりを可能にするように間隔をあけているような、複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブおよび／または容器の配置と、
複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器を包み込んで、複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブおよび／または容器の各表面を局所的な周囲温度および前記システムの熱から熱的に保護可能な断熱チャンバと、
周囲温度またはシステム温度と、複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器を包み込む前記断熱チャンバとの間の５０℃を超える可能性がある熱差を隔てる、積み重ねられたエアポケット間隔付の断熱配置と、
複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブおよび／または容器を包み込む前記断熱チャンバに出入りする大気水蒸気および／または大気空気の流れを許容、禁止または調節する、機械システムと、
前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器の前記霜収集領域から取得した霜を除去するための時間指定された固定掻き取り経路を有する複数の霜スクレイパーと、
複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器を包み込む前記断熱チャンバの外側のスクレイパー駆動機構と、
複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブおよび／または容器を包み込む前記断熱チャンバの内側の複数の前記霜スクレイパーと、複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器を包み込む前記断熱チャンバの外側の前記スクレイパー駆動機構と、を接続するスクレイパー電機子と、
前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器の前記霜収集領域上に凝華した霜が１ミリメートル未満の厚さに達したときに収集された霜を除去するための、前記霜スクレイパーのタイミング方法と、
前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、および／または容器の前記霜収集領域から霜が掻き取られた後に掻き取られた霜を保持するための霜保持容器またはタンク、および霜捕捉開口部または機械的ポートと、そして
保持された霜を液体水に溶融させる、前記冷却システムの高温側と前記霜保持容器またはタンクとの間の界面と、
を備えるシステム。

【請求項2】

前記冷却システムは、冷媒冷却サイクルであって、
圧縮機と、
前記圧縮機の「オン」／「オフ」状態を制御するためにＬＴＰＣＭボリュームに接続された温度検出スイッチと、
前記圧縮機に接続された凝縮ユニットと、
一方の端において前記凝縮ユニットに接続され、他方の端において、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入された複数の前記蒸発器コイル熱交換器に接続された、複数の膨張装置と、
個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入された複数の前記蒸発器コイル熱交換器に一方の端において接続され、かつ、前記圧縮機に他方の端において接続された、吸引ラインと、そして
前記冷媒冷却サイクルの閉ループ内の冷媒作動流体と、
を含む冷媒冷却サイクルである、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

複数の前記膨張装置は、これも個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されたキャピラリーチューブである、請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

複数の液体ラインの端部は、一方の端部において前記凝縮ユニットに接続され、他方の端部において、複数の前記キャピラリーチューブに接続されているとともに、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている、請求項３に記載のシステム。

【請求項5】

１つもしくは複数のバルブが、前記凝縮ユニットに取り付けられている液体ラインの封入されていない端部と、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている前記液体ラインの他方の端部と、の間をインライン接続しており、
１つもしくは複数の前記バルブは、前記圧縮機が「ＯＦＦ」にされる前に閉じて、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている複数の蒸発器コイル内の全ての冷媒を排出して、前記冷媒冷却サイクルの静的な熱が前記ＬＴＰＣＭの温度に悪影響を与えるのを妨げるように形成されおり、そして、
１つもしくは複数の前記バルブは、前記圧縮機が「ＯＮ」にされた後にのみ開いて、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている複数の前記蒸発器コイル内の全ての前記冷媒を排出状態に維持して、前記冷媒冷却サイクルの高圧側と低圧側を作り出す前記圧縮機の仕事を保持するように形成されている、請求項２から請求項４の何れか一項に記載のシステム。

【請求項6】

１つもしくは複数のバルブが、前記圧縮機に取り付けられている吸引ラインの封入されていない端部と、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている蒸発器コイルの他方の端部と、の間をインライン接続しており、
１つもしくは複数の前記バルブは、前記圧縮機が「ＯＦＦ」にされる前に閉じて、
個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている複数の前記蒸発器コイル熱交換器内の全ての冷媒を排出して、静的な熱が前記ＬＴＰＣＭの温度に悪影響を与えるのを妨げるように形成されており、そして、
１つもしくは複数の前記バルブは、前記圧縮機が「ＯＮ」にされた後にのみ開いて、個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されている複数の前記蒸発器コイル内の全ての前記冷媒を排出状態に維持して、前記冷媒冷却サイクルの高圧側と低圧側を作り出す前記圧縮機の仕事を保持するように形成されている、請求項２から請求項５の何れか一項に記載のシステム。

【請求項7】

複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内の前記ＬＴＰＣＭの熱力学的特性はまた、複数の蒸発器コイル内を移動する間の冷媒の流れの温度および／または圧力に影響を与え、安定させ、保全して、前記圧縮機のエネルギー需要を低下させるように選択される、請求項２から請求項６の何れか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記冷却システムは、
スターリングチラーと、
チリングヘッドと、
再生器と、を備えるスターリングチラーサイクルであって、
前記システムの複数の前記蒸発器コイル熱交換器は、個々の蒸発器コイルのそれぞれが個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されており、閉ループであって、熱作動流体で満たされており、前記スターリングチラーの前記チリングヘッドに取り付けられている、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記冷却システムは、
ヒートシンクに取り付けられた「熱」側面を備えた熱電モジュールチラーと、
チリングマニホールドに取り付けられた前記熱電モジュールチラーの「冷」側面と、
を備える熱電チラーサイクルであって、
前記システムの複数の前記蒸発器コイル熱交換器は、個々の蒸発器コイルのそれぞれが個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されており、閉ループであって、熱作動流体で満たされており、前記チリングマニホールドに取り付けられている、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記冷却システムは、
電気音響トランスデューサと、
共振器と、
再生器と、
低温熱交換器と、
を備える電気音響トランスデューササイクルであって、
前記システムの複数の前記蒸発器コイル熱交換器は、個々の蒸発器コイルのそれぞれが個々の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器内に前記ＬＴＰＣＭによって埋め込まれ、浸漬され、および／または封入されており、閉ループであって、熱作動流体で満たされており、前記低温熱交換器に取り付けられている、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

水の凝華プロセスからの熱エネルギーは、複数の前記ＬＴＰＣＭタンク、チューブ、または容器の表面を介して伝導され、ＬＴＰＣＭの個々の塊を介し、蒸発器コイルを介して前記冷却システムの作動流体の流れへと伝導され、最終的に前記冷却システムから含有されている高温相変化材料（ＨＴＰＣＭ）塊へと排出され、分離もしくは補助加熱サイクルシステムに有用なエネルギーとして供給可能とされる、請求項１から請求項１０の何れか一項に記載のシステム。

【国際調査報告】