2023-513748高効率の大気ウォーターハーベスティング装置およびその使用方法
(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】2023-04-03
(54)【発明の名称】高効率の大気ウォーターハーベスティング装置およびその使用方法
(51)【国際特許分類】
B01D 53/26 20060101AFI20230327BHJP
【ＦＩ】
B01D53/26 220
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022548907
(86)(22)【出願日】2021-02-02
(85)【翻訳文提出日】2022-10-06
(86)【国際出願番号】 US2021016261
(87)【国際公開番号】W WO2021162894
(87)【国際公開日】2021-08-19
(31)【優先権主張番号】62/976,824
(32)【優先日】2020-02-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】63/053,428
(32)【優先日】2020-07-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522319985
【氏名又は名称】ウォーター ハーベスティング インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】スミス， テイバー ハーデスティ
(72)【発明者】
【氏名】クオ， デイビッド エス．
(72)【発明者】
【氏名】カプースチン， ユージーン エー．
(72)【発明者】
【氏名】マルチョン， ブルーノ
(72)【発明者】
【氏名】マニアー， ファイサル シャフィクレフマン
【テーマコード（参考）】
4D052
【Ｆターム（参考）】
4D052AA00
4D052CB00
4D052FA01
4D052GA01
4D052GA03
4D052GB01
4D052GB02
4D052GB03
4D052GB07
4D052HA00
4D052HA09
4D052HA49
4D052HB05
(57)【要約】
周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステム、およびそのようなシステムを使用する方法が、本明細書に提供される。本システムおよび方法は、空気からの水を吸着するために水捕獲材料を使用する。例えば、水捕獲材料は、金属有機構造体であってもよい。本システムおよび方法は、水蒸気の形態でこの水を脱着し、水蒸気は、液体水へと凝縮され、収集される。液体水は、飲用水として使用するために好適である。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムであって、吸着／脱着ユニットであって、
少なくとも１つのモジュールが吸着モードで動作し、並行して、残りのモジュールのうち少なくとも１つが脱着モードで動作するように構成される複数のモジュールであって、
各モジュールは、少なくとも１つの構造要素を備え、
各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持し、
前記少なくとも１つの水捕獲材料は、前記モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、前記モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する、
複数のモジュールと、
少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替えることと、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えることとを並行して行うように構成されるモード切替構造と
を備える吸着／脱着ユニットと、
脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される少なくとも１つの凝縮装置と、
吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、前記少なくとも１つの水捕獲材料による前記周囲空気からの水の吸着を支援するように構成される少なくとも１つの空気循環ユニットと
を備えるウォーターハーベスティングシステム。
【請求項2】
前記モード切替構造は、回転機構を備え、前記複数のモジュールは、前記回転機構に接続され、ロータリー構成において配列される、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールから脱着した水蒸気を前記少なくとも１つの凝縮装置に再方向付けするように構成される少なくとも１つの蒸気再方向付けユニットをさらに備える、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
各モジュールは、前記構造要素をともに保持するためのフレームをさらに備える、請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項5】
周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムであって、少なくとも１つの構造要素を備える吸着／脱着ユニットであって、
各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持し、
前記少なくとも１つの水捕獲材料は、吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する、
吸着／脱着ユニットと、
前記少なくとも１つの構造要素の近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される少なくとも１つの凝縮装置と、
（ｉ）吸着モードで動作する前記少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、前記モジュール内の前記少なくとも１つの水捕獲材料による前記周囲空気からの水の吸着を支援することと、（ｉｉ）前記少なくとも１つの凝縮装置を冷却するために空気を循環させることとを同時に行うように構成される少なくとも１つの空気循環ユニットと
を備えるウォーターハーベスティングシステム。
【請求項6】
前記少なくとも１つの構造要素は、導体要素である、請求項１～５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項7】
前記吸着／脱着ユニットは、前記少なくとも１つの構造要素を直接加熱し、廃熱を最小限にするように構成される、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項8】
前記少なくとも１つの構造要素に接続されるか、または前記少なくとも１つの構造要素のまわりに位置付けられる少なくとも１つの熱交換多岐管をさらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項9】
前記少なくとも１つの構造要素は、少なくとも１つのプレートである、請求項１～８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項10】
前記少なくとも１つのプレートは、前記モジュール内で半径方向に配列されるか、または相互に対して平行に配列される、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムであって、吸着／脱着ユニットであって、
ロータリー構成において配列される複数のモジュールであって、
各モジュールは、少なくとも１つの導体要素を備え、
各導体要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料でコーティングされ、
前記少なくとも１つの水捕獲材料は、前記モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、前記モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する、
複数のモジュールと、
回転機構であって、前記複数のモジュールは、前記回転機構上に搭載され、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替えることと、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えることとを並行して行うように構成される、回転機構と
を備える吸着／脱着ユニットと、
脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される少なくとも１つの凝縮装置と、
吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、前記吸着／脱着ユニット内の前記空気を循環させ、それによって、前記少なくとも１つの水捕獲材料による前記周囲空気からの水の吸着を支援するように構成される少なくとも１つの空気循環ユニットと
を備えるウォーターハーベスティングシステム。
【請求項12】
脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールから脱着した水蒸気を前記少なくとも１つの凝縮装置に再方向付けするように構成される少なくとも１つの蒸気再方向付けユニットをさらに備える、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
前記少なくとも１つの凝縮装置は、ロータリー構成において配列される前記複数のモジュールの内部に位置付けられる、請求項１１または請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記少なくとも１つの導体要素は、少なくとも１つの金属プレートである、請求項１～１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項15】
前記少なくとも１つの金属プレートは、前記モジュール内で半径方向に配列されるか、または相互に対して平行に配列される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項16】
前記少なくとも１つの水捕獲材料は、金属有機構造体を備える、請求項１～１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項17】
前記少なくとも１つの水捕獲材料は、デシカント材料を含む、請求項１～１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項18】
脱着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールを封止するように構成される封止構造をさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項19】
前記少なくとも１つの凝縮装置から前記液体水を受け取るように構成される少なくとも１つの収集ユニットをさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項20】
吸着、脱着、および凝縮を監視および制御するように構成される制御システムをさらに備え、前記制御システムは、少なくとも１つのセンサおよび少なくとも１つのプロセッサユニットを備える、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項21】
気流が、前記少なくとも１つの凝縮装置から退出し、前記システムは、少なくとも１つの再循環ユニットをさらに備え、前記少なくとも１つの再循環ユニットは、前記少なくとも１つの凝縮装置から退出する前記気流を脱着モードにある少なくとも１つのモジュールに再利用するように構成される、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項22】
いかなる実質的な空気の損失もなく、前記液体水を重力によって収集するように構成される少なくとも１つのフロート弁をさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項23】
前記少なくとも１つの凝縮装置から退出する前記液体水を前記少なくとも１つのフロート弁を通して受け取るように構成される少なくとも１つの収集ユニットをさらに備える、請求項２２に記載のシステム。
【請求項24】
前記吸着／脱着ユニットを保持するための少なくとも１つの格納ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとをさらに備える、前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項25】
請求項１～３および１７～２４のいずれか１項に記載のウォーターハーベスティングシステムを使用して周囲空気から水を採集する方法であって、ａ）吸着モードにある少なくとも１つのモジュールにおいて周囲空気からの水を吸着することと、
ｂ）脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つにおいて水の少なくとも一部を脱着することと、
ｃ）前記少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールから解放された前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することであって、ステップ（ａ）～（ｃ）は、同時に生じる、ことと、
ｄ）吸着モードにある少なくとも１つのモジュールを脱着モードに切り替え、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つを吸着モードに切り替えることと
を含む方法。
【請求項26】
請求項４～９および１７～２４のいずれか１項に記載のウォーターハーベスティングシステムを使用して周囲空気から水を採集する方法であって、ａ）前記少なくとも１つの水捕獲材料による水の吸着を支援するために、かつ前記少なくとも１つの凝縮装置の冷却を支援するために、吸着モードにある少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込むことであって、前記空気は、吸着および冷却を支援するために再循環または再利用される、ことと、
ｂ）前記少なくとも１つの水捕獲材料からの水の少なくとも一部の脱着を支援するために、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つを加熱することと、
ｃ）前記少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールから解放された前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することと
を含む方法。
【請求項27】
請求項１０～２４のいずれか１項に記載のウォーターハーベスティングシステムを使用して周囲空気から水を採集する方法であって、ａ）吸着モードにある少なくとも１つのモジュールにおいて周囲空気からの水を吸着することと、
ｂ）脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つにおいて水の少なくとも一部を脱着することと、
ｃ）前記少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある前記少なくとも１つのモジュールから解放された前記水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することであって、ステップ（ａ）～（ｃ）は、同時に生じる、ことと、
ｄ）吸着モードにある少なくとも１つのモジュールを脱着モードへと回転させ、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つを吸着モードへと回転させることと
を含む方法。
【請求項28】
気流が、前記少なくとも１つの凝縮装置から退出し、前記方法は、前記少なくとも１つの凝縮装置から退出する前記気流を脱着モードにある少なくとも１つのモジュールに再利用することをさらに含む、請求項２５～２７のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０２０年２月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／９７６，８２４号、および２０２０年７月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／０５３，４２８号に対する優先権を主張し、米国仮特許出願第６２／９７６，８２４号および米国仮特許出願第６３／０５３，４２８号は、その全体が参照することによって本明細書に援用される。
本願は、２０２０年２月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／９７６，８２４号、および２０２０年７月１７日に出願された米国仮特許出願第６３／０５３，４２８号に対する優先権を主張し、米国仮特許出願第６２／９７６，８２４号および米国仮特許出願第６３／０５３，４２８号は、その全体が参照することによって本明細書に援用される。
【0002】
（分野）
本開示は、概してウォーターハーベスティングに関し、より具体的には、金属有機構造体および／または他の水捕獲材料を使用して周囲空気から水を採集するためのシステムおよび方法に関する。
本開示は、概してウォーターハーベスティングに関し、より具体的には、金属有機構造体および／または他の水捕獲材料を使用して周囲空気から水を採集するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0003】
（背景）
世界の人口の大きな割合が、水不足を経験している。大気中の水蒸気および水滴の形態の水は、地球規模の水問題に対処するために使用され得る天然資源である。湿った空気からの結露および霧の捕獲は、空気から水を捕獲する試みの例であるが、そのようなプロセスは、１００％の相対湿度または大量のエネルギーのいずれかの頻繁な存在を要求する。したがって、そのようなプロセスは、空気から水を捕獲するための商業的に実行可能な解決策ではない。概して、Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， Ｓｃｉｅｎｃｅ ３５６， ４３０－４３４（２０１７）を参照されたい。
世界の人口の大きな割合が、水不足を経験している。大気中の水蒸気および水滴の形態の水は、地球規模の水問題に対処するために使用され得る天然資源である。湿った空気からの結露および霧の捕獲は、空気から水を捕獲する試みの例であるが、そのようなプロセスは、１００％の相対湿度または大量のエネルギーのいずれかの頻繁な存在を要求する。したがって、そのようなプロセスは、空気から水を捕獲するための商業的に実行可能な解決策ではない。概して、Ｋｉｍ ｅｔ ａｌ．， Ｓｃｉｅｎｃｅ ３５６， ４３０－４３４（２０１７）を参照されたい。
【0004】
当該技術分野において所望されるものは、最小限のエネルギー要件を伴って周囲空気から水を採集し得、低グレードエネルギー源（例えば、太陽光）によって電源供給され得る商業的に実行可能なシステムおよび方法である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
（簡単な概要）
いくつかの局面では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムが提供され、ウォーターハーベスティングシステムは、吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを備える。いくつかの実施形態では、吸着ユニットは、複数のモジュールと、モード移行構造とを備える。
いくつかの局面では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムが提供され、ウォーターハーベスティングシステムは、吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを備える。いくつかの実施形態では、吸着ユニットは、複数のモジュールと、モード移行構造とを備える。
【0006】
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、少なくとも１つのモジュールが吸着モードで動作し、並行して、残りのモジュールのうち少なくとも１つが脱着モードで動作するように構成され、各モジュールは、少なくとも１つの構造要素を備え、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持し、少なくとも１つの水捕獲材料は、モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する。
【0007】
いくつかの実施形態では、モード切替構造は、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替えることと、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えることとを並行して行うように構成される。いくつかの実施形態では、モード切替構造は、回転機構を備え、複数のモジュールは、回転機構に接続され、ロータリー構成において配列される。
【0008】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの凝縮装置は、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される。
【0009】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの空気循環ユニットは、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援するように構成される。
【0010】
いくつかの局面では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムが提供され、ウォーターハーベスティングシステムは、吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを備える。
【0011】
いくつかの変形例では、吸着／脱着ユニットは、少なくとも１つの構造要素を備え、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持し、少なくとも１つの水捕獲材料は、吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの構造要素は、導体要素であり、導体要素は、導体要素上にコーティングされる水捕獲材料から水の脱着を促進するために電気を流すことによって抵抗加熱される。
【0012】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの凝縮装置は、少なくとも１つの構造要素の近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される。
【0013】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの空気循環ユニットは、（ｉ）吸着モードで動作する少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、モジュール内の少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援することと、（ｉｉ）少なくとも１つの凝縮装置を冷却するために空気を循環させることとを同時に行うように構成される。
【0014】
いくつかの局面では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムが提供され、ウォーターハーベスティングは、吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを備える。いくつかの実施形態では、吸着／脱着ユニットは、ロータリー構成において配列される複数のモジュールと、回転機構とを備える。
【0015】
いくつかの実施形態では、各モジュールは、少なくとも１つの導体要素を備え、各導体要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料でコーティングされ、少なくとも１つの水捕獲材料は、モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する。
【0016】
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、回転機構上に搭載され、回転機構は、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替えることと、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えることとを並行して行うように構成される。
【0017】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの凝縮装置は、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される。
【0018】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの空気循環ユニットは、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、吸着／脱着ユニット内の空気を循環させ、それによって、少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援するように構成される。
【図面の簡単な説明】
【0019】
（図面の簡単な説明）
本出願は、本明細書に含まれる付随の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって最も良く理解されることができる。本明細書における図面は、縮尺通りに描かれていない。
本出願は、本明細書に含まれる付随の図面と併せて解釈される以下の説明を参照することによって最も良く理解されることができる。本明細書における図面は、縮尺通りに描かれていない。
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【発明を実施するための形態】
【0030】
（詳細な説明）
以下の説明は、例示的方法、パラメータ等について述べる。しかしながら、そのような説明は、本開示の範囲の限定として意図されるのではなく、例示的実施形態の説明として提供されることを認識されたい。
以下の説明は、例示的方法、パラメータ等について述べる。しかしながら、そのような説明は、本開示の範囲の限定として意図されるのではなく、例示的実施形態の説明として提供されることを認識されたい。
【0031】
いくつかの局面では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムが、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、システムは、少なくとも１つの吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを含む。吸着／脱着ユニットは、水捕獲材料を含む複数のモジュールを有する。システムが定常状態で動作しているとき、モジュールのうち少なくとも１つは吸着モードにあり、同時に、残りのモジュールのうち少なくとも１つは脱着モードにある。吸着モードでは、所与のモジュール内の水捕獲材料は、周囲空気からの水を吸着する。空気循環ユニットは、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援する。次いで、モジュールが脱着モードに切り替えられると、モジュールは、水蒸気または蒸気の形態で水を脱着する。
【0032】
ある局面では、本明細書に提供されるシステムは、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替え、残りのモジュールのうち少なくとも１つを脱着モードから吸着モードに切り替える切替構造をさらに含む。いくつかの変形例では、モード切替構造は、複数のモジュールが搭載されるロータリー構造である。ロータリー構造は、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに移行させ、残りのモジュールのうち少なくとも１つを脱着モードから吸着モードに移行させるために回転する。
【0033】
脱着モードにある所与のモジュールから水が脱着すると、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられる少なくとも１つの凝縮装置を介して、水蒸気が液体水へと凝縮される。液体水は、次いで、貯蔵タンクによって収集され得る。いくつかの変形例では、本明細書に説明されるシステムは、脱着モードにある所与のモジュールから脱着した水蒸気を凝縮装置に再方向付けする少なくとも１つの蒸気再方向付けユニットをさらに含む。
【0034】
他の局面では、吸着／脱着ユニットと、少なくとも１つの凝縮装置と、少なくとも１つの空気循環ユニットとを備える、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムも本明細書に提供され、少なくとも１つの空気循環ユニットは、（ｉ）吸着モードで動作する少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、モジュール内の少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援することと、（ｉｉ）少なくとも１つの凝縮装置を冷却するために空気を循環させることとを同時に行う。事実上、空気循環ユニットによって引き込まれた周囲空気は、再循環または再利用され、少なくとも２つの異なる目的、すなわち、水を吸着することと、凝縮装置を冷却することとを達成し得る。
【0035】
本明細書に説明されるウォーターハーベスティングシステムは、水の採集の効率および容易性を増加させる。いくつかの局面では、各吸着／脱着サイクルのための時間が短縮され得る。いくつかの実施形態では、圧縮機が不要になり、これは、動作の騒音をより少なくし、費用をより低くする。他の局面では、同時の吸着／脱着は、ウォーターハーベスティングシステムのより効率的な設計を可能にする。いくつかの変形例では、本明細書に説明されるシステムは、圧縮機もしくは別個の冷却機構、仕切弁、チャンバ、または真空ポンプを要求しない。
【0036】
他の局面では、本明細書に提供されるシステムを使用して周囲空気から水を捕獲する方法も、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、方法は、吸着モードにある少なくとも１つのモジュールにおいて周囲空気からの水を吸着することと、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つにおいて水の少なくとも一部を脱着することと、少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールから解放された水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することであって、吸着、脱着、および凝縮は、並行して生じる、ことと、吸着モードの少なくとも１つのモジュールを脱着モードに切り替え、脱着モードの残りのモジュールのうち少なくとも１つを吸着モードに切り替えることとを含む。
【0037】
いくつかの実施形態では、方法は、少なくとも１つの水捕獲材料による水の吸着を支援するために、かつ少なくとも１つの凝縮装置の冷却を支援するために、吸着モードにある少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込むことであって、空気は、吸着および冷却の両方を支援するために再循環または再利用される、ことと、少なくとも１つの水捕獲材料からの水の少なくとも一部の脱着を支援するために、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つを加熱することと、少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールから解放された水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することとを含む。
【0038】
いくつかの実施形態では、方法は、吸着モードにある少なくとも１つのモジュールにおいて周囲空気からの水を吸着することと、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つにおいて水の少なくとも一部を脱着することと、少なくとも１つの凝縮装置を使用して、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールから解放された水蒸気の少なくとも一部を凝縮させ、液体水を生成することであって、吸着、脱着、および凝縮は、並行して生じる、ことと、吸着モードにある少なくとも１つのモジュールを脱着モードへと回転させ、脱着モードにある残りのモジュールのうち少なくとも１つを吸着モードへと回転させることとを含む。
【0039】
システム、およびウォーターハーベスティングのためにそのようなシステムを使用する方法が、以下にさらに詳細に説明される。
【0040】
吸着／脱着ユニット
いくつかの実施形態では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムは、吸着／脱着ユニットを備える。いくつかの実施形態では、吸着／脱着ユニットは、複数のモジュールおよびモード切替構造を備える。
いくつかの実施形態では、周囲空気から水を捕獲するためのウォーターハーベスティングシステムは、吸着／脱着ユニットを備える。いくつかの実施形態では、吸着／脱着ユニットは、複数のモジュールおよびモード切替構造を備える。
【0041】
ａ）モジュール
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、少なくとも１つのモジュールが吸着モードで動作し、並行して、残りのモジュールのうち少なくとも１つが脱着モードで動作するように構成される。いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、ロータリー構成において配列される。いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、回転基部に接続されるか、またはその上に搭載される。
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、少なくとも１つのモジュールが吸着モードで動作し、並行して、残りのモジュールのうち少なくとも１つが脱着モードで動作するように構成される。いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、ロータリー構成において配列される。いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、回転基部に接続されるか、またはその上に搭載される。
【0042】
いくつかの実施形態では、各モジュールは、少なくとも１つの構造要素を備える。図１を参照すると、例示的プレート様構造要素１０２０は、吸着層１０２２および１０２４によってコーティングされる。構造要素１０２０は、構造要素の両側にコーティングされる水捕獲材料を支持し、構造要素は、例えば電気を流すことによって加熱され得る加熱基板である。ある変形例では、各吸着層は同一のまたは異なる水捕獲材料を有してもよいことを理解されたい。他の変形例では、各吸着層は、同一のまたは異なる厚さを有してもよい。さらに他の変形例では、構造要素の片側のみが吸着層によってコーティングされる。
【0043】
いくつかの実施形態では、吸着／脱着ユニットは、少なくとも１つの構造要素を直接加熱するように構成され、廃熱を最小限にし得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの構造要素は、導体要素である。いくつかの実施形態では、導体要素は、導体要素に電気を流すことによって抵抗加熱される。いくつかの実施形態では、導体要素は、金属または金属プレートである。
【0044】
図６を参照すると、構造要素１０２０は、導体要素（または抵抗基板）である。脱着中、構造要素１０２０は、それに電気６０００を流すことによって抵抗加熱され、それによって、導体要素１０２０上にコーティングされる水捕獲材料でできている吸着層１０２２および１０２４からの蒸気６１００の形態での水の脱着を支援する。
【0045】
図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、隣接する構造要素間の間隙を通して吸着／脱着ユニット内に流れる空気流れが、描写されている。吸着中、周囲空気は、隣接する構造要素の間隙を通して流れ、吸着層が周囲空気からの水を吸着することを可能にする。図２Ａは、隣接する構造要素（それぞれ１０２０および１０３０、ならびに１０３０および１０４０）間の間隙（１０２５および１０３５）とともに、かつその間隙の間で流れる空気（一組の矢印１０４５によって表される）とともに、平行に配列される複数の例示的プレート様構造要素１０２０、１０３０、および１０４０を描写する。図２Ｂは、隣接する構造要素間の間隙、およびその間隙の間に流れる空気（一組の矢印１０４５によって表される）とともに、半径方向に配列される複数の例示的プレート様構造要素（２０００）を描写する。この図に描写されるように、各構造要素は、吸着層で両側をコーティングされる加熱基板である。例えば、構造要素１０２０は、吸着層１０２２および１０２４で両側をコーティングされる。ある変形例では、各吸着層は同一のまたは異なる水捕獲材料を有してもよいことを理解されたい。他の変形例では、各吸着層は、同一のまたは異なる厚さを有してもよい。さらに他の変形例では、構造要素の片側のみが吸着層によってコーティングされる。
【0046】
いくつかの実施形態では、導体要素に印加される電力は、Ｅａｄｓを水捕獲材料またはＭＯＦ層内への水の吸着熱として水の脱着率ｄｍ／ｄｔが以下の方程式によって電力Ｗと関係するため、脱着時間を最適化するように合わせられ得る。
【数1】
【0047】
したがって、基板Ｒの電気抵抗およびそれに流れる電流Ｉは、電力Ｗが以下の方程式を通してＲおよびＩと関係するため、最適な脱着率のために調整され得る。
【数2】
【0048】
いくつかの実施形態では、構造要素は、吸着段階中、周囲空気から水捕獲材料への水の拡散を可能にするように設計および配列される。図１０を参照すると、水捕獲材料の層７０２２および７０２４が、隣接する構造要素上にコーティングされ、例示的空気分子７０２０が、それらの構造要素間の間隙を通過するドットとして示される。いくつかの実施形態では、再び図１０を参照すると、構造要素は、ｄ／ｖ＞ｃ×（ｗ／２）２／Ｄとなるように設計および配列され、式中、（ｉ）ｄは吸着段階中の、構造要素間の間隙を通した（水蒸気を含まない）空気による進行の深度であり、（ｉｉ）ｖは吸着段階中の、構造要素を通した（水蒸気を運搬する）空気の平均速度であり、（ｉｉｉ）ｃは定数であり、（ｉｖ）ｗは隣接する構造要素上の水捕獲材料層７０２２と７０２４との間の平均間隔であり、（ｖ）Ｄは拡散定数または水蒸気の拡散率である。
【0049】
ｄ／ｖ＞ｃ×（ｗ／２）２／Ｄにおいて、不等式表記の左辺、すなわちｄ／ｖは、「走行時間」と称され、ｔＴｒａｎｓと示され得る。定数ｃを伴わない不等式表記の右辺、すなわち（ｗ／２）２／Ｄは、「拡散時間」と称され、ｔＤｉｆｆと示され得る。条件ｄ／ｖ＞ｃ×（ｗ／２）２／Ｄは、ｔＴｒａｎｓ＞ｃ×ｔＤｉｆｆのように等価表現され、または、空気分子の走行時間が水蒸気の拡散時間のあるパーセンテージよりも大きいと記述される。例えば、ｃが３０％の場合、構造要素は、走行時間が拡散時間の３０％より大きいように配列される。
【0050】
いくつかの変形例では、定数ｃは、少なくとも約５％、少なくとも約１０％、少なくとも約３０％、少なくとも約５０％、または少なくとも約７５％、または、約１％～約５％、約５％～５０％、約１０％～約５０％、約３０％～約７５％、または約５０％～１５０％である。
【0051】
いくつかの実施形態では、構造要素は、モジュールを形成するために半径方向に、連続して、または平行に配列される。いくつかの実施形態では、構造要素は、ともに溶接されるか、ともにはんだ付けされるか、ともに圧縮状態に保持されるか、または任意の他の手段によって電気的に接続される。図３Ａを参照すると、例示的モジュール３０１０は、複数のプレート様構造要素２０００を含み、複数のプレート様構造要素２０００は、水捕獲材料でコーティングされ、フレーム３０１２によって半径方向に配列され、ともに保持される。
【0052】
いくつかの実施形態では、構造要素は、可撓性を有する。いくつかの実施形態では、構造要素は、均等に間隔を空けることと、各要素が相互に接触することを阻止することとを維持するために張力下に保持される。いくつかの実施形態では、張力機構は、ホイッフルツリーまたはホイップルツリーである。いくつかの実施形態では、ホイップルツリーは、１つまたはそれより多くの可撓性部材によって形成される。
【0053】
いくつかの実施形態では、複数のモジュールは、円筒を形成するように構成される。図３Ｂおよび図３Ｃを参照すると、例示的吸着／脱着ユニット３０００は、６つのモジュール（３０１０、３０２０、３０３０、３０４０、３０５０、および３０６０）を含み、６つのモジュールは、ロータリー構成において配列され、モード切替構造３００２上に搭載される（図３Ｂ）。ここで描写されるモード切替構造は、ロータリーカルーセルである。図３Ｃの分解図に描写されるように、モード切替構造３００２は、回転基部３００４を含む。６つのモジュールが図３Ｂおよび図３Ｃの例示的吸着／脱着ユニット内に描写されているが、他の変形例では、吸着／脱着ユニットは複数のモジュール内に任意の数のモジュールを含み得ることを理解されたい。
【0054】
いくつかの実施形態では、モジュールは、モジュールのうち１つまたはそれより多くが脱着のエリア内に移動させられ、モジュールのうち１つまたはそれより多くが吸着のエリア内に移動させられるように回転させられる。いくつかの実施形態では、モジュールの回転は、ベルトを通してモータによって駆動される回転プレートによって実施される。いくつかの実施形態では、モジュールの回転は、１つまたはそれより多くのギヤのシステムを通してモータによって駆動される回転プレートによって実施される。
【0055】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの構造要素が、少なくとも１つのプレートである。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプレートは、モジュール内で半径方向に配列されるか、または相互に対して平行に配列される。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのプレートは、水捕獲材料の片側または両側に各々独立にコーティングされる。
【0056】
いくつかの変形例では、プレートは、半径方向に配列されるか、または相互に対して平行に配列され、隣接するプレート間に間隙が存在する。プレートは、任意の好適な金属を含む任意の好適な材料から作製され得る。例えば、いくつかの変形例では、プレートは、アルミニウムを含む。いくつかの変形例では、プレートは、固体金属を含む。一変形例では、プレートは、羽根の形状にある。
【0057】
ある変形例では、プレートは、平坦な表面を有する。他の変形例では、各プレートは、通気性設計を有し、その表面は、プレートと水捕獲材料との間の熱膨張不一致を可能にする水捕獲材料エリア（例えば、正方形）を成すように格子パターンの小さなチャネルと交差する。他の変形例では、各プレートは、水の吸着／脱着性能および／または信頼性を高め得るトポグラフィ特徴を伴う粗い表面を有する。一変形例では、トポグラフィ特徴は、穴、凹凸、隆起部、または溝、またはそれらの任意の組み合わせである。別の変形例では、プレートは、メッシュを含む。例えば、一変形例では、プレートは、アルミニウムメッシュを含む。
【0058】
いくつかの実施形態では、各プレートの長さに対する隣接するプレート間の間隙の相対的な隔たりは、最適な空気流れを達成し、水の吸着を最大限にする。いくつかの変形例では、隣接するプレート間の間隙は、プレートの長さの約１％～約５％である。
【0059】
いくつかの実施形態では、プレートは、約１０ミクロン～約５００ミクロン、または約５０ミクロン～５００ミクロン、または約１０ミクロン～約５０ミクロンの厚さを各々有する水捕獲材料の層でコーティングされる。層の厚さが、（例えば、より厚い層と比較して）より速い吸着および脱着を可能にし得る。他の実施形態では、プレートは、約０．１～約１ｃｍの厚さを各々有する水捕獲材料の層でコーティングされる。層のそのような厚さは、（例えば、より薄い層と比較して）より大量の水の生成を可能にし得る。
【0060】
ある実施形態では、プレート上の水捕獲材料の各層は、多孔性を有する。いくつかの変形例では、多孔性は、少なくとも約４０％、少なくとも約５０％、少なくとも約６０％、少なくとも約７０％、または少なくとも約８０％、もしくは約４０％～約９０％、約５０％～９０％、約４０％～約８０％、約５０％～約８０％、または約６０％～８０％である。他の実施形態では、水捕獲材料の層は、多孔性を有しない。
【0061】
いくつかの実施形態では、水捕獲材料の層の厚さの比は、プレートの厚さよりも大きい。プレートの両側が水捕獲材料でコーティングされるある実施形態では、水捕獲材料の第１の（例えば、上部）層の厚さとプレートの厚さと水捕獲材料の第２の（例えば、底部）層の厚さとの比は、水の脱着と、チャンバ内でプレートを加熱するために使用されるエネルギーとを最適化する。層が多孔性を有しないいくつかの変形例では、水捕獲材料の各層の厚さは、少なくともプレート厚さの半分よりも大きくあり得る。
【0062】
前述のいくつかの変形例では、水捕獲材料の層は、１またはそれより多くの付加的な成分と混合され得る。いくつかの変形例では、バインダーが、層の中に混合され得る。ある変形例では、有機バインダーが使用され得る。ある変形例では、シリコンバインダーが使用され得る。一変形例では、シリコン樹脂バインダーが使用され得る。ある変形例では、層は、伝達を加速させるために熱伝導性に役立つ１またはそれより多くの材料をさらに含み得る。一変形例では、層は、黒鉛をさらに含む。
【0063】
ある変形例では、水捕獲材料は、プレート上で均一に分散される。当技術分野において公知の任意の好適な技法が、プレートに対して水捕獲材料の層をコーティングするために採用され得る。例えば、一変形例では、水捕獲材料の層は、プレート上に堆積させられる。
【0064】
ｂ）水捕獲材料
いくつかの実施形態では、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持する。いくつかの実施形態では、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料でコーティングされる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの水捕獲材料は、モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する。
いくつかの実施形態では、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料を支持する。いくつかの実施形態では、各構造要素の少なくとも一部は、少なくとも１つの水捕獲材料でコーティングされる。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの水捕獲材料は、モジュールが吸着モードにあるとき、周囲空気からの水を吸着し、モジュールが脱着モードにあるとき、水蒸気の形態で水を脱着する。
【0065】
いくつかの変形例では、水捕獲材料は、金属有機構造体（ＭＯＦ）を備える。ＭＯＦは、有機配位子に接続される繰り返し二次構造単位（ＳＢＵ）を有する多孔性材料である。いくつかの変形例では、ＳＢＵは、１つまたはそれより多くの金属または金属含有錯体を含んでもよい。他の変形例では、有機配位子は、酸および／またはアミン官能基（単数または複数）を有する。ある変形例では、有機配位子は、カルボン酸基を有する。
【0066】
本明細書に提供されるシステムにおいて、水を吸着および脱着することが可能である任意の好適なＭＯＦが採用されてもよい。一変形例では、Ａｌ（ＯＨ）（ＨＰＤＣ）の構造を有するＭＯＦ－３０３が使用されてもよく、ＨＰＤＣは、１Ｈ－ピラゾール－３，５－ジカルボン酸塩（３，５－ＰｙｚＤＣとも称され得る）を表す。他の好適なＭＯＦは、例えば、ＣＡＵ－１０、ＭＩＬ－５３、ＭＯＦ－８０１、ＭＯＦ－８４１、およびＭＩＬ－１６０を含んでもよい。例えば、Ｋａｌｍｕｔｚｋｉ ｅｔ ａｌ．， Ａｄｖ． Ｍａｔ．， ３０（３７）， １７０４３０４ （２０１８）； Ｆｕｒｕｋａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ． ２０１４， １３６， ４３６９－４３８１を参照されたい。ＭＯＦの組み合わせも使用されてもよい。
【0067】
いくつかの変形例では、ＭＯＦは、約０．５ｎｍ～約１ｎｍ、または約０．７ｎｍ～約０．９ｎｍの空孔サイズを有する。ある変形例では、ＭＯＦは、親水性空孔構造を有する。ある変形例では、ＭＯＦは、酸および／またはアミン官能基を含む親水性空孔構造を有する。ある変形例では、ＭＯＦは、可逆的水吸着を可能にする１Ｄチャネルを有する。
【0068】
いくつかの変形例では、水捕獲材料は、微孔性リン酸アルミニウム（ＡｌＰＯ４－ＬＴＡ）である。例えば、Ｙ．Ｔｕｅｔ ａｌ， Ｊｏｕｌｅ， Ｖｏｌ ２， Ｉｓｓｕｅ ８（１５）， １４５２－１４７５ （２０１８）を参照されたい。
【0069】
他の変形例では、水捕獲材料は、デシカント材料である。任意の好適なデシカント材料が使用され得る。
【0070】
本明細書に説明される水捕獲材料の任意の組み合わせも使用され得る。
【0071】
いくつかの実施形態では、水捕獲材料は、基板への接着に関してその性質を向上させるためにバインダーと混合される。
【0072】
ｃ）モード切替構造
いくつかの実施形態では、モード切替構造は、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替え、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えるように構成される。いくつかの実施形態では、モード切替構造は、回転機構を備え、複数のモジュールは、回転機構に接続され、ロータリー構成において配列される。
いくつかの実施形態では、モード切替構造は、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替え、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えるように構成される。いくつかの実施形態では、モード切替構造は、回転機構を備え、複数のモジュールは、回転機構に接続され、ロータリー構成において配列される。
【0073】
いくつかの変形例では、システムは、ロータリー構成において配列される、少なくとも１つの水捕獲材料を含む複数のモジュールを有する吸着／脱着ユニットと、回転機構であって、複数のモジュールは、回転機構上に搭載され、少なくとも１つのモジュールを吸着モードから脱着モードに切り替え、少なくとも１つのモジュールを脱着モードから吸着モードに切り替えるように構成される、回転機構と、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される少なくとも１つの凝縮装置と、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、吸着／脱着ユニット内の空気を循環させ、それによって、少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援するように構成される少なくとも１つの空気循環ユニットとを含む。前述の一変形例では、少なくとも１つの凝縮装置は、ロータリー構成において配列される複数のモジュールの内部に位置付けられる。前述の一変形例では、周囲空気から引き込まれた空気は、１つより多くの目的、例えば、水を吸着すること、および凝縮装置を冷却することを達成するために再循環または再利用される。
【0074】
図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ロータリーモード切替構造またはカルーセルおよび格納ユニット５０１０を伴う例示的ウォーターハーベスティングシステム５０００の２つの図が描写される。空気循環デバイス５００４（図５Ａに描写されるファン）は、カルーセルの側方から周囲空気５１０２を引き込み、吸着モードにあるモジュール３０１０を通して、および蒸気再方向付けデバイス５００６（本実施例では凝縮ファン）のまわりに巻かれた凝縮装置５００８（図５Ｂの凝縮コイル）を通して空気を流れさせ、カルーセルの上部で空気５１００を外に吹き出させる。図５Ｂにおける断面図は、カルーセルモータ５００２を含むカルーセル３００２を描写する。
【0075】
封止構造
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、脱着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールを封止するように構成される封止構造をさらに含む。いくつかの実施形態では、封止構造は、吸着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールから、脱着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールを完全にまたは部分的に隔離する。いくつかの実施形態では、封止構造は、各モジュール内にある。いくつかの実施形態では、封止構造は、各モジュールの外部にある。いくつかの実施形態では、封止構造は、部分的に各モジュール内にあり、部分的に各モジュールの外部にある。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、脱着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールを封止するように構成される封止構造をさらに含む。いくつかの実施形態では、封止構造は、吸着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールから、脱着モードにある１つまたはそれより多くのモジュールを完全にまたは部分的に隔離する。いくつかの実施形態では、封止構造は、各モジュール内にある。いくつかの実施形態では、封止構造は、各モジュールの外部にある。いくつかの実施形態では、封止構造は、部分的に各モジュール内にあり、部分的に各モジュールの外部にある。
【0076】
いくつかの実施形態では、水捕獲材料でコーティングされる構造要素は、モジュールを形成するようにフレーム内に入れられる。いくつかの実施形態では、フレームまたはエンクロージャは、脱着中に部分的にまたは完全に封止され、吸着中に開放される。
【0077】
凝縮装置
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの凝縮装置をさらに含む。いくつかの実施形態では、凝縮装置は、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの凝縮装置をさらに含む。いくつかの実施形態では、凝縮装置は、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールの近位に位置付けられ、水蒸気を液体水へと凝縮させるように構成される。
【0078】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの凝縮装置は、ロータリー構成において配列される複数のモジュールの内部に位置付けられる。
【0079】
ある実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、１つまたはそれより多くの凝縮装置を含む。凝縮装置は、モジュールのうち１つまたはそれより多くの近位に位置付けられる。いくつかの変形例では、複数の凝縮装置が使用される。複数の凝縮装置が使用される一変形例では、凝縮装置は、直列にまたは並列に配列される。
【0080】
いくつかの実施形態では、凝縮装置は、管である。いくつかの実施形態では、水蒸気は、管の内側で凝縮される。いくつかの実施形態では、管は、コイル構造を有するか、または管のコイルである。いくつかの実施形態では、管は、空気を循環させるか、または凝縮装置の外部に吹き出させることによって冷却される。いくつかの実施形態では、循環させられるか、または凝縮装置の外部に吹き出される空気は、吸着に使用される空気である。いくつかの実施形態では、循環させられるか、または凝縮装置の外部に吹き出される空気は、低温貯蔵で冷却される空気である。いくつかの実施形態では、凝縮装置は、冷蔵サイクルの低温側で冷却される。いくつかの実施形態では、凝縮装置は、例えば冷蔵サイクルまたは低温貯蔵をベースとするアクティブチラーである。
【0081】
図５Ｃを参照すると、例示的凝縮装置５００８は、凝縮コイルであり、蒸気再方向付けデバイス５００６（本実施例では凝縮ファン）のまわりに巻かれる。蒸気再方向付けデバイス５００６は、脱着モードにあるモジュールにおいて発生させられる水蒸気または蒸気５２０２を凝縮装置５００８（本実施例では凝縮コイル）内に再方向付けるか、または吸引し、水蒸気を液体水へと凝縮させる。
【0082】
図５Ｄを参照すると、凝縮後、水５２００は、その収集を可能にするフロート弁５０１２内に（例えば、重力によって）方向付けられる。凝縮気流５１０４は、その後、周辺空気内への水分およびエネルギーの損失を最小限にするために、脱着モードにあるモジュール３０６０内に再循環させられる。
【0083】
空気循環ユニット
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの空気循環ユニットを備える。いくつかの実施形態では、空気循環ユニットは、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、周囲空気からの少なくとも１つの水捕獲材料による水の吸着を支援するように構成される。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの空気循環ユニットを備える。いくつかの実施形態では、空気循環ユニットは、吸着モードにある各モジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、周囲空気からの少なくとも１つの水捕獲材料による水の吸着を支援するように構成される。
【0084】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの空気循環ユニットは、（ｉ）吸着モードで動作する少なくとも１つのモジュール内に周囲空気を引き込み、それによって、モジュール内の少なくとも１つの水捕獲材料による周囲空気からの水の吸着を支援することと、（ｉｉ）少なくとも１つの凝縮装置を冷却するために空気を循環させることとを同時に行うように構成される。
【0085】
蒸気再方向付けユニット
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの蒸気再方向付けユニットを備える。いくつかの実施形態では、蒸気再方向付けユニットは、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールから脱着した水蒸気を少なくとも１つの凝縮装置に再方向付けするように構成される。ある変形例では、蒸気再方向付けユニットは、ファンまたは容積式ポンプである。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの蒸気再方向付けユニットを備える。いくつかの実施形態では、蒸気再方向付けユニットは、脱着モードにある少なくとも１つのモジュールから脱着した水蒸気を少なくとも１つの凝縮装置に再方向付けするように構成される。ある変形例では、蒸気再方向付けユニットは、ファンまたは容積式ポンプである。
【0086】
凝縮装置再循環気流
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの再循環ユニットを備える。いくつかの実施形態では、再循環ユニットは、凝縮コイルから退出する気流を少なくとも１つの脱着モジュールに再利用するように構成される。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの再循環ユニットを備える。いくつかの実施形態では、再循環ユニットは、凝縮コイルから退出する気流を少なくとも１つの脱着モジュールに再利用するように構成される。
【0087】
水収集ユニット
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つのフロート弁を備え、いかなる空気の損失、またはいかなる実質的な空気の損失もなく、凝縮された液体水を重力によって収集するように構成される。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つのフロート弁を備え、いかなる空気の損失、またはいかなる実質的な空気の損失もなく、凝縮された液体水を重力によって収集するように構成される。
【0088】
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、液体水を受け取るように構成される少なくとも１つの収集ユニットを備える。いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、少なくとも１つの凝縮装置から退出する液体水を少なくとも１つのフロート弁を通して受け取るように構成される少なくとも１つの収集ユニットを備える。いくつかの変形例では、水収集ユニットは、貯蔵タンクである。
【0089】
制御システム
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、吸着、脱着、および凝縮を監視および制御するように構成される制御システムを含む。いくつかの実施形態では、制御システムは、１つまたはそれより多くのセンサと、１つまたはそれより多くのプロセッサユニットとを含む。
いくつかの実施形態では、ウォーターハーベスティングシステムは、吸着、脱着、および凝縮を監視および制御するように構成される制御システムを含む。いくつかの実施形態では、制御システムは、１つまたはそれより多くのセンサと、１つまたはそれより多くのプロセッサユニットとを含む。
【0090】
いくつかの実施形態では、制御システムは、モジュールに送達される電力量を増加または減少させ、脱着率を加速または減速させるために使用される。いくつかの実施形態では、制御システムは、水蒸気が、脱着エリアもしくは脱着モードにあるモジュールから除去される率、および／または、空気が、脱着エリアもしくは脱着モードにあるモジュール内に押動される率を増加または減少させるために使用される。いくつかの実施形態では、制御システムは、モジュールが脱着モードで費やす時間を増加または減少させるために使用される。いくつかの実施形態では、制御システムは、モジュールが吸着モードにおいて費やす時間量を増加または減少させるために使用される。いくつかの実施形態では、制御システムは、吸着中、空気がモジュールを横断して移動させられる率を増加または減少させるために使用される。
【0091】
いくつかの実施形態では、制御システムは、温度および湿度等の環境条件に基づいてウォーターハーベスティングシステムを監視および制御する。いくつかの実施形態では、温度または湿度センサは、吸着モジュール（吸着モードにあるモジュール）および脱着モジュール（脱着モードにあるモジュール）の内側または近傍に設置される。
【0092】
いくつかの実施形態では、制御システムは、吸着または脱着量を個々に最適化するのではなく、複数の吸着および脱着サイクルにわたって捕獲される水の全体量を最大限にするためにウォーターハーベスティングシステムを監視および制御する。
【0093】
いくつかの実施形態では、制御システムは、（ｉ）各モジュールが脱着モードに切り替わる前に吸着モードで費やす時間（合計吸着時間）が、そのモジュール内の水捕獲材料に水をほとんどしみこませるためにちょうど十分であり、（ｉｉ）各モジュールが吸着モードに切り替わる前に脱着モードで費やす時間（合計脱着時間）が、そのモジュールにおいて水捕獲材料によって捕獲された水のほとんどを脱着するためにちょうど十分であるようにモジュールまたは吸着／脱着ユニットの回転のための時間ステップが調節され得るように設計されることができる。
【0094】
いくつかの実施形態では、制御システムは、吸着率と一致するように脱着の加速または減速させるために、蒸気再方向付けユニットの速度と、構造要素を加熱するために提供される電力量とを制御する。同様に、脱着率と一致するように吸着率を加速または減速させるために、空気循環ユニットの速度が増加または減少させられ得る。異なる温度および湿度レベルは吸着および脱着のために必要とされる時間に影響を及ぼすため、この制御は重要であり得る。
【0095】
電力源
いくつかの変形例では、本明細書に提供されるシステムは、１つまたはそれより多くの太陽光電力源（単数または複数）をさらに含む。ある変形例では、システムは、光起電力（ＰＶ）電池またはパッシブソーラーキャプタ、またはその組み合わせをさらに含む。
いくつかの変形例では、本明細書に提供されるシステムは、１つまたはそれより多くの太陽光電力源（単数または複数）をさらに含む。ある変形例では、システムは、光起電力（ＰＶ）電池またはパッシブソーラーキャプタ、またはその組み合わせをさらに含む。
【実施例】
【0096】
（実施例）
以下の実施例は、単なる例示であり、本開示のいかなる局面をいかように限定することも意味されない。
以下の実施例は、単なる例示であり、本開示のいかなる局面をいかように限定することも意味されない。
【0097】
（実施例１）
飲用水を生成するためのウォーターハーベスティングシステム
ウォーターハーベスティングシステム
５～１５％の有機バインダーと混合されたＭＯＦ粉末（本実施例においてはＭＯＦ－３０３）から成るＭＯＦ層ペーストを導電性基板（導体要素）上に薄膜として堆積させた。硬化後、優れた機械的および熱的性質を用いて、ＭＯＦ層を基板に密に結着させた。ＭＯＦ層でコーティングされた一連のこれらの基板を電気的に接続し、モジュール内に組み立てた。基板間の小さな間隙は、空気が流れることを可能にした。
飲用水を生成するためのウォーターハーベスティングシステム
ウォーターハーベスティングシステム
５～１５％の有機バインダーと混合されたＭＯＦ粉末（本実施例においてはＭＯＦ－３０３）から成るＭＯＦ層ペーストを導電性基板（導体要素）上に薄膜として堆積させた。硬化後、優れた機械的および熱的性質を用いて、ＭＯＦ層を基板に密に結着させた。ＭＯＦ層でコーティングされた一連のこれらの基板を電気的に接続し、モジュール内に組み立てた。基板間の小さな間隙は、空気が流れることを可能にした。
【0098】
カルーセルと呼ばれるロータリー構造内でモジュールを組み立てた（図３Ａおよび図３Ｂ）。１つまたはそれより多くのモジュールが吸着モードにある間、他のモジュールが脱着モードにあるようにカルーセルを構築した。本実施例では、カルーセルは、吸着モードにある５つのモジュールと、脱着モードにある１つのモジュールとを伴う合計６つのモジュールから成った（図４Ａ）。カルーセルを回転させると、モジュールは、位置Ｎから位置Ｎ＋１に移動し、吸着モードを開始し、最終的には脱着モードに入った（図４Ｂ）。
【0099】
吸着モードにあるモジュールでは、空気が、中央ファンを使用して、構造の中心を通して、吸引され、水分がＭＯＦ層によって捕獲されることを可能にするＭＯＦ層基板の間に押進された（図５Ａおよび図５Ｂ）。モジュールが脱着モードに入ると、電流が、基板内を通過し、それらを加熱した（図６）。
【0100】
脱着ＭＯＦ層から外に出た蒸気は、脱着の領域から凝縮のエリアに移動させられた。本実施例では、蒸気は、小型ファンによってモジュールから脱着エリア内に吸引され、カルーセルの内側に設置された螺旋管タイプの凝縮装置に送られた（図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃ）。蒸気は、コイルのまわりを流れる空気によって室温まで冷却され、コイルは、水を凝縮させ、収集タンクの内側に収集されるように下方に流した。図７を参照すると、周囲空気５１０２は、吸着モードにあるモジュール（単数または複数）３０１０へと循環させられ、モジュール（単数または複数）３０１０は、凝縮装置５００８を冷却することと、空気５１００を送出することと、蒸気６１００として水を脱着モードにあるモジュール（単数または複数）３０６０から脱着することと、凝縮装置５００８を用いて蒸気６１００を水へと凝縮させることと、水タンク５２０４を用いて水を収集することとを行うために、空気５１０２を再循環または再利用した。
【0101】
結果
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、システムの性能の例を示す。図２Ａおよび図２Ｂに図示されるモジュールは、精密スケールで設置された。吸着中（図８Ａ）、モジュールの重量は、約３グラムの水が吸着するまで急速に増加した。指数関数フィットは、５２秒の時定数をもたらした。脱着中（図８Ｂ）、モジュールの重量はさらにより急速に減少し、約３グラムの水が脱着した。指数関数フィットは、４０秒の時定数をもたらした。図８Ｃは、複数の吸着／脱着サイクルを示し、水を極めて効率的に採集するためのこのシステムの能力を実証する。図９は、システムの信頼性を示す。１，０００回より多くの吸着／脱着サイクルの後、水の取り込みに変化はなく、これは、システムの優秀なロバスト性を実証する。
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、システムの性能の例を示す。図２Ａおよび図２Ｂに図示されるモジュールは、精密スケールで設置された。吸着中（図８Ａ）、モジュールの重量は、約３グラムの水が吸着するまで急速に増加した。指数関数フィットは、５２秒の時定数をもたらした。脱着中（図８Ｂ）、モジュールの重量はさらにより急速に減少し、約３グラムの水が脱着した。指数関数フィットは、４０秒の時定数をもたらした。図８Ｃは、複数の吸着／脱着サイクルを示し、水を極めて効率的に採集するためのこのシステムの能力を実証する。図９は、システムの信頼性を示す。１，０００回より多くの吸着／脱着サイクルの後、水の取り込みに変化はなく、これは、システムの優秀なロバスト性を実証する。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10】
【国際調査報告】