專利名稱：蒸水器及其操作方法
背景技術：
總的來說，本發明涉及蒸水器，并且本發明尤其但不僅涉及從污染水源，如海水或咸水中提供飲用水的蒸水器。
現有技術概述在干旱或嚴酷的環境下，經常難以低成本地探測或提供飲用水，以用于直接飲用、烹調或將例如人或動物食用的食物或藥物的再水化。例如，海灣周圍的國家具有大量的海水儲量，但是內陸的飲用水幾乎沒有。因此，居住點集聚在提供主要淡水源的天然河流周圍，或集聚在通過昂貴的淡化工廠或者連接偏遠水庫的管道網提供淡水的港口周圍。此外，富含鹽的水或污染水也不能用于灌溉，因為它通常對植物在生理上有害，并且如果要將這樣的水用于食品制造，則要進行某種形式的提純。所以，任何向農作物供應水的限制都可能限制農作物產量，這些限制是由獲得適合清潔水的有限性，或者由實際生產適合清潔水的成本所產生的。換句話說，雖然可能容易獲得通常“受污染”形態的水，但是要將污染水純化到意欲使用所必需的程度還不是經濟上可行的。
就為了人的生存而需確保飲用水這方面而言，可能遭遇的惡劣環境是在大海上(當游船遇險之后而處于在救生筏上時)、在沙漠中并且甚至是在星際間探索時。此外，包括干旱、水災和地震的自然災害也會顯著并且不利地中斷向原本可充分供應的區域的飲用水供應。實際上，在后者的這些情況下也許事實上必需用船向受影響的區域運輸飲用水，這是非常昂貴的，并且在后勤上難以短時間完成。
注意到以下這點也是有趣的由海洋法要求和由軍隊使用的救生包實際上包含很大量的包裝飲用水，因此救生包總重的很大一部分可直接歸因于所攜帶的大量水。所以，救生包通常是笨重的，并且如果攜帶的話會給負荷者帶來額外的重壓。
太空局如NASA也十分關心在太空中的水的再循環。此外，水的密度在太空飛行中會增加一個小的卻是限制性的因素，在發射時必需限制太空飛行器所攜帶的水量，以限制重量并限制對額外的推力以及由此所需的更多燃料的需要。因此再循環是必需的。此外，對于新千年到來后所計劃的未來可能的星際間探索，如何進行水的鑒別以及將其有效地轉化為飲用水或適用于水栽法的水，這都是些重大的課題。
在工業規模上使用的淡化機理包括蒸發工藝、電解和反滲透；所有這些都是相對昂貴的，并且經常要求巨大的系統和/或動力的供應。顯而易見，在緊急情況下(例如)這樣的系統不可能實現，即使是存在也由于需要提供穩定并相當可觀的動力供應而不會起作用。
因此需要提供相對簡單并且便宜的水凈化系統。
發明概述根據本發明的第一個方面，提供了一種蒸水器，其包括一個小室，該小室具有一個基本上不透水的上部和一個與基本上不透水的上部連在一起的底部，所述底部由一層膜形成，該膜支持透過其的水全蒸發過程；和一個集水井，該集水井具有一個開口，在小室內從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井位于所述底部之內，通常從那里向外延伸。
優選該膜是無孔的。
優選在所述小室之內形成許多冷凝塔板，小室中的這許多冷凝塔板將水滴送到所述集水井中。
在本發明的另一個方面，提供了一種蘑菇形蒸水器，其包括一個濕潤小室，該濕潤小室由一個基本上不透水的圓頂上部形成，該圓頂上部與一個膜底部連在一起，所述底部支持透過其的水全蒸發過程；一個熱傳導性集水井，該集水井具有一個開口，在濕潤小室內從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井位于底部之內，通常從那里向下延伸；和一個龍頭，其與熱傳導的集水井連在一起，用于將飲用水從該蘑菇形蒸水器中放出。
在一個優選實施方案中，所述膜含有共聚醚酯彈性體，其水蒸氣滲透率至少為400g/m2/24hr，優選水蒸氣滲透率超過1000g/m2/24hr。
在本發明一個更進一步的方面，提供了一種凈化污染水的方法，其包括形成一個濕潤小室，該濕潤小室具有一個基本上不透水的上表面，該上表面與一個膜底部連在一起，該膜底部支持透過其的水全蒸發過程；提供一個集水井，該集水井具有一個在所述濕潤小室之內的開口；提供一個與所述膜底部并置的污染水給水，由此形成一個穿過膜底部的蒸汽壓力梯度；以及將在所述濕潤小室內冷凝的水導入所述開口中。
該方法還可以任選地包括以下步驟通過使用集水井作為“受熱器”，利用濕潤小室和水源之間的溫差來冷凝水蒸氣。
優選，該方法也包括將在所述濕潤小室內冷凝的水滴引導離開所述膜底部，并進入所述集水井。
在本發明一個更進一步的方面，提供了一種蒸水器，其包括一個濕潤小室，該小室在基本上不透水的部分和無孔膜之間形成，該無孔膜支持透過其的水全蒸發過程；和一個集水井，該集水井具有一個開口，在所述小室內從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井的位置對著濕潤小室的底部。
優選，所述基本上不透水的部分為所述蒸水器提供了側壁和底部，并因此起到將水滴匯入集水井的作用。使用中，所述整個的蒸水器被浸沒。
在本發明又一個方面中，提供了一種凈化污染水的方法，其包括形成一個濕潤小室，該濕潤小室具有一個基本上不透水的表面，該表面與一個無孔膜連在一起，該無孔膜支持透過其的水全蒸發過程；提供一個集水井，該集水井具有一個對著所述濕潤小室底部的開口；將污染水的給水與無孔膜接觸，由此形成一個穿過無孔膜的蒸汽壓力梯度；以及在重力作用下將在所述濕潤小室內冷凝的水導入所述開口中。
有利地是，本發明的蒸水器提供一種水凈化系統，該水凈化系統具有簡單的機械結構，并且可以快速配置。對于一個可能不具有活動部件的優選實施方案而言，造價和復雜性都低。實際上，該蒸水器可以被包裝成低重量、緊湊的形式，可以容易地將其裝配。優選實施方案的蒸水器設計的縮放比例是任意的。因此飲用水的供給可以在不用人工能源(電池、發電機等)的情況下獲得，因為該過程通過利用自然產生的熱差來運行，并且如果希望，任何任選的活動部件可以通過自然力如太陽能、風或波浪能來驅動。
附圖簡述現在將對本發明示范性實施方案參考附圖進行描述，其中

圖1是一個蒸水器的示意圖，原位顯示，體現本發明的基本要素；圖2是圖1的蒸水器的底平面圖；圖3是一個蒸水器的局部剖視圖，該蒸水器具有各種優選并任選的特征，這些特征可以并入圖1的基本蒸水器中；圖4是一個蒸水器的局部剖視圖，該蒸水器具有任選的滴注塔板、排水槽并增加了冷凝表面，這都可以并入圖1的基本蒸水器或圖3的蒸水器中；圖5是又一個蒸水器的局部剖視圖，該蒸水器具有各種優選并任選的特征，這些特征可以并入圖1的基本蒸水器或圖3或4的蒸水器中；圖6顯示了前面圖中任何一個任選但優選的實施方案的水泵裝置和收集器；圖7顯示了一個體現本發明的蒸水器，其還包括一個貯水池；和圖8是蒸水器的一種擇一構造，其體現了本發明各種實施方案的設計概念。
優選實施方案的詳細說明在圖1的基本簡圖中以舉例方式顯示了本發明的蒸水器10的結構基本要素。
蒸水器10包括一個圓頂外側部分12，其與一個親水膜底部14相連。該親水膜底部14用作基底，并與集水井16共同起作用，集水井16為蒸水器10(原地)提供了穩定用的壓載。一般地，集水井16居中位于蒸水器10的幾何結構之內，并以桿狀的形式向下延伸，這使得蒸水器10具有蘑菇形的橫截面。優選帶有單向閥的龍頭18通常位于或靠近集水井16的底部。所述圓頂外側部分12優選由耐用、吸熱并基本上不透水的材料(如聚氯乙烯、其它塑料、金屬等)層制成，圓頂外側部分12、親水膜底部14和集水井16形成小室20。中心軸22可以延伸到所述集水井和圓頂外側部分12之間，也許超過圓頂外側部分12。通常，中心軸22可以為蒸水器10提供結構支撐，特別是圓頂外側部分12通過圓頂外層與之適當相連。
操作時，蒸水器漂浮在一個污染水源或其它非飲用水源24中，如漂浮在海、瀉湖、河流或咸水中，在圓頂外側部分12和親水膜底部14之間有一個相交部分26，其在水源24的表面以下。圓頂外側部分12和親水膜底部14一般是粘結、焊接或縫合在一起的，不過其它固定方法顯然也是可能的。然而相交部分26是不透水的。一旦浸入水源24中，水蒸氣全蒸發通過親水膜底部14，這使得小室20具有相對較高的濕度。
小室20的內表面用作冷凝表面，水滴通常并主要導入集水井16中。優選，中心軸22(也用作冷凝表面)由具有良好導熱性能的材料如鍍鋅鋼制成。當然，中心軸22可以由塑性材料制造，塑性材料比金屬能更好地抵抗與水的接觸，不過塑性材料的強度和剛性通常次于金屬，但是金屬需要處理以防止并阻止生銹以及其它形式的腐蝕/疲勞。集水井16也優選由與中心軸22相同的材料制成，不過同樣需要集水井16具有良好的導熱性能。因此在使用中，集水井16用作在相對冷的水源24中的受熱器，因此任何熱連接的內部結構(如中心軸22)也獲得了借助于集水井16將熱量散熱進入周圍水源24的能力。因此通過利用集水器作為受熱器以及由周圍的水提供的冷卻效應，提高了冷凝速率。
可以理解到，冷凝通常發生在最冷的表面上，因此具有散熱能力的那些表面(最終進入周圍污染水的給水中)是最有效率的。此外，就蒸水器的最佳性能而言，冷凝表面的效率非常重要，因為冷凝降低了小室20內的濕度并因此提高了橫穿親水膜的蒸汽壓力梯度，因此提高了通過膜的水蒸氣滲透速率。
已發現在空氣流能促使水全蒸發從其表面28上消散時，親水膜底部14運行更有效，可通過更多的水蒸氣。因此，通常優選圓頂外側部分12是不透水的吸熱層，以便防止收集(即冷凝)在集水井16內的飲用水29蒸發，或同時防止水蒸氣從小室中逸出。此外，因為實際上圓頂外層12設計用來吸收熱量，可以在小室20內形成自然對流，這促使從親水膜底部14的表面28的全蒸發過程的速度加快。
為了促進小室內的冷卻，一個特別的實施方案在該圓頂外側部分12外面使用了一個吸水表面27，由此在太陽的作用下將吸收的水蒸發，通常在蒸水器10之內，更特別是在小室20的上半區起到冷卻作用。
在一個優選實施方案中，在污染水源24表面以上的蒸水器10部分通常呈半球形，整個親水膜底部14總是完全浸沒。
考慮到蒸水器10內的相對內部高度輪廓，集水井16相對于親水膜底部12的表面向上抬升；帶有升高的凸緣，那么在蒸水器10受波浪作用等不利影響時，最終冷凝收集在集水井16之內的清潔飲用水不會從側面明顯溢出。
暫時轉到圖2所示的蒸水器10的底平面圖，可以看到集水井16的優選形狀。雖然通常也將壓載物加到蒸水器10上，以保持蒸水器在水中的方向基本直立，但集水井16優選包括許多葉輪23，這有三個目的。第一，集水井16作為受熱器的效率通過增大表面面積而升高。第二，增大的表面面積增加了冷凝和蓄水面積。第三，當集水井被淹沒時(或者部分地或者優選徹底地)，葉輪改進了蒸水器10的穩定性。
優選增加蒸水器10的重量，以保證親水膜底部14在使用中總是處于水源24的表面之下，可以通過集水井16的實際重量以及在集水井16內冷凝收集到的清潔飲用水來達到(至少部分達到)這一目的。有利的是，由于親水膜底部14總是處在水面以下，減少了膜被損壞和擊穿的可能性，這是因為物體通常會撞著蒸水器10的邊緣并因此與圓頂外層12接觸。此外，由于親水膜底部14總是處在水面以下，所以膜的效率(即它的性能)即使不是被最佳化至少也會被提高。
本發明優選實施方案的蒸水器10的設計使其適用于許多環境，包括公海、海港、河流、洪水泛濫的平原和隱蔽的瀉湖。該設計的特征是，其具有固有的駕御波浪的能力，同時保持基本上直立。另一選擇，考慮到固定的或半固定的蒸水機所處水體床的位置，可以確保其在一個固定位置上，或者它們可以被固定到該水體床上，但是能移動以適應水深的變化(例如在潮汐水域中)。
總之，該冷凝物代表一種可能是沒有微生物的清潔飲用水的供給。
或者通過使用壓縮氣體，或者通過將其吹漲可以使小室20充氣。顯然，在用產生足量飲用水的工業尺寸的膜的情況下，優選前一種方式，并且也限制了在小室中引入微生物等的可能性。然而，就救生包而言，因為個人通常僅可能在援救之前的沒有幾個(至多不過幾個)小時或天內需要救生包，那么小室20被含該個人的微生物的空氣所污染大概并不重要。就救生設備而言，可以通過最初包裝在集水井16內的小罐來提供壓縮氣體。另一選擇，對于固定的蒸水機，小室20可以處于完全展開的狀態。
對于相對小的和緊湊的蒸水器結構來說，一個特別的設計方案使用了可伸縮的中心軸22，其可以折入集水井16中。可用尼龍型棒條來使余下的圓頂外側部分12和膜底部14呈半剛性的，例如操縱并固定在某個位置上以提供任何所需要的結構剛度。
至于大小規模，這取決于所希望的展開面積。對于救生包，一個人每天需要大約0.5-8升的飲用水(取決于體力的運用、溫度和濕度)。因此，集水井16的體積必須考慮這個條件，但是也可能受包裝條件所束縛。因此，優選救生設備中集水井的容量將為0.5-8升，更優選1-4升，最優選約2-3升。顯然，可以將其它更笨重的尺寸用于例如水災賑濟工作。同樣，應該選擇親水膜底部面積和冷凝室的尺寸，以反映出要收集的預定水量；并且相似的因素也將影響所選的親水膜的性質和厚度，以及影響是否并入在這里公開的這些任選性質。
對于一個每天可以提供幾立方米飲用水的蒸水器裝備，可能需要一個明顯更大的集水井16。然而，可以有趣地注意到，本發明蒸水器10的固有浮力(由有效密封的小室20產生)仍可以使冷凝和收集在集水井16中的飲用水很容易地用龍頭開關。實際上，根據阿基米德斯原理，在集水井16中裝有冷凝并隨后收集的水時，該蒸水器仍然留有浮力(并且通過具有更低的重心而變得更加穩定)。對于根據本發明的優選實施方案構造的更大蒸水器，可以使用定期或連續抽取法(使用一個泵)，并相應調整集水井16的尺寸。
在一個特別的實施方案中，集水井16可以從該蒸水器的“頂蓋部分”有選擇地拆開，以利于再使用之前的維修和清掃。因此，該集水井16可以包括螺紋和“O”型環密封設備。
至于通過龍頭18引出飲用水，在集水井16中收集的飲用水提供了一些有限水位差，其用于清除相連的排水管內聚集的有機物殘清和真正出口周圍生長的藻類。
圖3顯示一個蒸水器30的局部剖視圖，該蒸水器并入幾個可以任選包括(單獨地或一起)在圖1的基本蒸水器10中可能設計的設備和變體。例如，圖3的蒸水器30具有環繞蒸水器30周邊的外部緩沖器32。如所期望的，緩沖器32(其可以是充氣的或可以由耐用材料如橡膠制成)起到阻礙與蒸水器30碰撞的碎片的作用，并因此保護了該蒸水器。另外，在一個特別的實施方案中，改進的親水膜底部34包括脊、絲狀物或皺折，以顯著增加與水源24接觸的膜面積；這相對于該蒸水器的整體的實際尺寸提高了其效率。在一個特別的實施方案中，親水膜底部34呈階梯狀，以促使氣泡總是上升并離開該膜的表面38(或該膜的支承表面)。同時，用斜的親水膜底部34，也可能有利于在斜坡底部通常靠近集水井16處包括次要排水口40。這些次要排水出口40也優選呈單向閥運行，因此能有選擇地打開，以排空收集在膜上而不是在集水井16內的任何冷凝物。
還顯示該集水井16還包括一個面向外部的凸緣42，以防止落任何偶然位于親水膜表面38上的冷凝物進入集水井16。同時，該集水井16可以包括一個內凸緣44，一般為紗網狀結構，其限制水從集水井16中溢出。
圖4舉例說明用于例如圖1的蒸水器的可能的內部結構。首先，為了使冷凝最大化，小室20包括許多冷凝塔板(或表面)50-55。冷凝塔板50-55優選由圓頂外側部分12的材料整體形成。優選至少一個主要的冷凝塔板基本上橫亙該蒸水器10的半徑；這個主要塔板通常朝向小室20的底部。次要冷凝塔板51-54位于該主要冷凝塔板上面，促使冷凝水滴落到該主要冷凝塔板上，而主要冷凝塔板本身促使水落到集水井16中。各種冷凝塔板50-55也用來截住從圓頂外側部分12的內表面58掉下的水滴，由此加強將冷凝物收集入集水井16中。
主要冷凝塔板50按許多平滑曲線加工成形，促使水滴形成并沿該主要冷凝塔板50的上側和下側滾落，但又不落到親水膜底部14上。
與該主要冷凝塔板50協同操作并且局部欠連接的是進料盤55，其緊靠近圓頂外側部分12的外緣。同樣，以一個類似主要冷凝塔板50的方式，將該進料盤55按許多平滑曲線加工成形，促使水滴形成并沿其上側和下側滾落。
水蒸氣將冷凝在圓頂外側部分12的內表面上，該表面可以是平滑的，或另一選擇可設計成能促使蒸氣冷凝的形狀(例如通過帶有錐尖的、毛狀的或有絨毛的表面)。因此，水滴在該內表面上形成并在重力作用下落下，其或者被主要冷凝塔板50、進料盤55截留，或者被沿該圓頂外側部分12的周邊形成的水槽60截獲。外側部分12的內表面也可以任選加工成可以促使冷凝水直接流入任一這些收集裝置中的形狀。顯然，沿圓頂外側部分12的側面滾落的水滴直接落入水槽60中。進料盤55也終止于該水槽上方，以確保在其上冷凝的水滴落入該水槽60中。進入該水槽的水通過定期裝配窄進料路徑或渠道62，如敞口槽通入集水井16中。使進料路徑的面積最小，以確保其不起到有效冷凝表面的作用，盡管也將其加工成一定形狀以促使在其下側形成的任何水滴滾落入集水井16中，而不會落到親水膜底部14上。
為了清楚起見，圖4只顯示了冷凝塔板內部結構的一側。然而，從總體上說，布置各種冷凝塔板和渠道/水槽以防止冷凝物沉積在親水膜底部14之上，并使其匯聚到集水井16內。為了進一步改善冷凝塔板50-55的運行，優選將它們與所述受熱器(利用集水井16的結構實現)相連，并且用具有良好導熱性的材料制造冷凝塔板。然而，后一個需要通常要與重量權衡考慮。
圖5顯示了額外但任選的各種特征，這些特征可以并入圖1的基本蒸水器結構中，或并入任何一個這里所述的更復雜的結構中。
為了改善蒸水器整體結構的穩定性，在蒸水器周邊和集水井16之間可以連有(例如有選擇地附裝)多個導向管70。此外，由于尺寸增大，提供一個從蒸水器(如從集水井16的底部)到一個海錨等物的牽繩72也可能是有利的。牽繩72可以任選地用作導管以從集水井16除去水。
另一個可能的設計變化可以通過利用一個旋轉風向標74來實現，該風向標與中心軸22機械相連，并且該風向標借助于一個適合的轉軸驅動一個位于內部的風扇76。盡管整體結構的機械復雜性增大了，但是增加了小室20內，以及在小室20和集水井16之間的高濕度空氣的循環速度，這相應地促進冷凝并改善在親水膜表面上的空氣流動，并因此增加了從其中的全蒸發。這樣的機械設備不需外部電力供應，而僅僅依靠在沿海地區常會遇到的風。可以使用其它形式的風扇76，如由波浪能或太陽能驅動的那些。通常，裝備內部風扇76是為了在整個小室20中循環空氣，特別是朝向、橫穿以及通過冷凝表面和集水井16的循環。
圖6顯示的任選特征也可以并入圖1(如果希望，或其它任何一個的圖)的基本蒸水器設備中。圖6的具體細節顯示了一個水泵裝置80，并顯示了優選集水井(或容器)82的剖視圖。如前面所指出的，集水井82具有一個相對于親水膜底部14的基本水平基線稍微抬起的凸緣。圖6的具體實施方案也包括至少一個龍頭84-86，它們稍微抬起，超出集水井82的底部。所述龍頭(在這種情況下有許多個龍頭)將水輸入與水泵裝置80相連的管道網88中。可以理解，管道網內的飲用水還可以受益于周圍水(如果有的話)的冷卻作用和散熱能力。
圖7顯示了一個體現本發明的蒸水器100，其還包括一個供水貯水池。在前面已經大概地論述過結構的原理，不過這個實施方案包括一個基本上不透水的貯水池(或袋或囊)102，其與親水膜底部14相連。該不透水的貯水池(或袋)102包括一個入口104，通過該入口可以裝入不清潔的水或其它的污染水。該不透水的貯水池(或袋或囊)102通常是柔韌的，以便不清潔的水或其它的污染水在與一個表面如地面接觸受壓時緊壓在親水膜底部14。這一實施方案特別適用于沙漠救生設備，因為基本上由水組成的尿可天天用于加入該不透水的貯水池(或袋或囊)102，這樣親水膜保證從蒸水器100中獲得無菌的可飲用水的供應。使用中應在破曉之前將尿裝入貯水池102中，這樣白天的高溫將使通過該親水膜底部14的全蒸發的速率提高。然后，該圓頂外側部分12可以暴露于低得多的夜間溫度中以促進水整夜地冷凝。可以通過以下方法進一步優化這個系統，例如，在圓頂外側部分12內僅提供一個小氣室20以優化冷卻效果；或甚至使用一個最初放氣的可充氣結構以產生該氣室20，以便它可以在水蒸氣透過膜14時展開。一個供選擇的或另外的優化方法是將一部分不純的水在圓頂外側部分12的外表面蒸發以降低其內部溫度，并從而促進冷凝。
圖8是蒸水器200的一種擇一構造，其體現了本發明各種實施方案的設計理念。在這一情況下，蒸水器200的結構是倒置的(相對于圖1)。不透水的圓錐狀或碗狀底部202用親水膜204密封，以形成一個濕潤室20。圓錐狀或碗狀底部202的底部將水送入集水井16中，集水井16收集全蒸發穿過親水膜204的冷凝水蒸氣。同樣，中心軸22可以提供冷凝表面和結構支撐。優選，蒸水器200在使用中完全浸沒，但是親水膜204優選剛好位于一個表面以下，在該表面稍微升高的水溫可促進滲過膜的全蒸發。為了保護親水膜204不受損，將一個防護屏206或襯底與該親水膜204并排或接觸放置。因此，污染水可以在親水膜204表面和防護屏206之間流動。在蒸水器200周邊可能有浮子208，其也可作為緩沖器。
圖8的倒置設計是有利的，因為它總是促使冷凝物移向集水井16(在重力作用下)，同時該設計也受益于基本上(即使不是完全)浸沒在相對冷的污染水244中。因此，使熱量有效并顯著地從蒸水器散出，從而改善冷凝過程。實際上，由于圓錐狀或碗狀底部202的散熱能力，冷凝主要發生在該圓錐狀或碗狀底部202的內表面上(以及任何與受熱器直接相連的其它表面上)。優選，圓錐狀或碗狀底部202是由具有良好導熱性能的材料如金屬制成。很容易理解到，圖2-6的各種任選設計特征可以單獨或結合地包括于圖8中。
至于親水膜204，其輪廓可以是傾斜的，可以是凸的也可以是凹的式樣，以便將冷凝物從其表面導向集水井16。因此，親水膜204基本上一直保持干燥，并且其通常是小室20內最熱的表面。
在本公開中，用于本發明各種實施方案的蒸水器的親水膜是由親水聚合物制成的。術語“親水聚合物”是指根據InternationalStandards Organization的標準ISO 62(相當于American Societyfor Testing and Materials的標準ASTM D 570)，與液態水在室溫下接觸時吸水的聚合物。
親水聚合物可以是一種聚合物或若干聚合物的混合物。例如，該親水聚合物可以是共聚醚酯彈性體或兩種或多種共聚醚酯彈性體的混合物，如從E.I.du Pont de Nemours and Company獲得的商品名為HYTREL的聚合物。另一選擇，該親水聚合物可以是聚醚嵌段聚酰胺或兩種或多種聚醚嵌段聚酰胺的混合物，如從法國巴黎的Elf-Atochem Company獲得的商品名為PEBAXTM的聚合物。其它親水聚合物包括聚醚型聚氨酯或其混合物，聚乙烯醇的均聚物或共聚物及其混合物。上述所列的不是窮舉的，僅僅是親水膜的可能選擇的示例。
在本發明中用于水蒸氣滲透的特別優選的聚合物是共聚醚酯彈性體或兩種或多種共聚醚酯彈性體的混合物，所述彈性體具有通過酯鍵連接的多重重復的長鏈酯單元和短鏈酯單元，所述長鏈酯單元可以用下式表示 并且所述短鏈酯單元可用下式表示 其中a)G是從數均分子量約為400-4000的聚(環氧烷)二醇除去端羥基后所剩余的二價基團；b)R是從分子量小于約300的二羧酸除去羧基后所剩余的二價基團；c)D是從分子量小于約250的二醇除去羥基后所剩余的二價基團；任選地d)基于共聚醚酯的總重量，該共聚醚酯含0-68重量％混入共聚醚酯的長鏈酯單元中的環氧乙烷基團；e)該共聚醚酯含約25-80重量％的短鏈酯單元。
優選的聚合物膜適合于制成薄而結實的膜、薄層和涂層。優選的聚合物、共聚醚酯彈性體及其制造方法在本領域中是我們公知的，如公開在美國專利4,725,481中WVTR為3500g/m2/24hr的共聚醚酯彈性體，或美國專利4,769,273中WVTR為400-2500g/m2/24hr的共聚醚酯彈性體。
在本發明的范圍內，可以利用市售的親水聚合物作為膜，但是因為要將蒸水器設計用來供應飲用水，顯然優選具有盡可能高的WVTR值。最優選，本發明使用產生WVTR超過3500g/m2/24hr的市售膜，WVTR是用空氣在23℃以及50％相對濕度下以3ms-1的速度在一塊厚25微米的薄膜上測得的。
該聚合物可以與抗氧化穩定劑、紫外線穩定劑、水解穩定劑、染料、顏料、填料、抗菌劑等復合。
制備薄膜形式的膜的有用且非常確定的方法是將該聚合物在工業壓出生產線上熔體擠出獲得。簡言之，這需要將該聚合物加熱到超過其熔點的溫度，并將其擠壓通過一個平的或環形模口，然后使用滾壓系統澆注成膜或從熔融體吹塑成膜。有用的支撐材料包括織造、非織造或粘合的紙、織物和紗網以及對濕氣穩定的無機聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纖維等。該支撐材料既增加了強度又保護了膜。該支撐材料可以只配置在親水聚合物膜的單側或雙側。在僅配置在單側時，該支撐材料可以與水接觸或不接觸。一般，該支撐材料在蒸水器的外側形成，以最大限度地保護該膜不受機械損壞。
不想局限于任何具體的理論，我們認為，涂層形式或無支撐的膜形式的親水膜在接觸可能含有懸浮的或溶解的雜質、固體和乳液時，都會產生凈化效果，這是因為高偶極分子如水分子相對于離子如鈉和氯離子能優先吸附并滲過該膜或涂層。另外，存在橫穿膜的蒸汽壓力梯度時，水從不接觸水源的一側釋放出來，所釋放出的水可以冷凝以提供飲用水以及用于農業、園藝、工業及其它用途的水。
對于本發明的優選實施方案所用的親水膜，水的滲透特性通常用標準試驗方法ASTM E96-95 Procedure BW(以前已公知并被稱為ASTM E96-66-Procedure BW試驗方法)來測定。這些標準試驗方法被用來測定膜的水蒸氣滲透率(WVTR)，并且使用基于不透水杯的組件(即“Thwing-A1bert Vapometer”)。該不透水杯盛有的水達到杯頂部以下約十九毫米處(具體地說，19mm±6mm)。該杯的開口用待測量的試驗材料的可滲水膜不透水密封，在水面和該膜之間留下空氣間隙。在BW方法中，然后將該杯倒置以便水在試驗中一直與該膜直接接觸。在控制的溫度和濕度下，將該儀器置于試驗小室中，然后以規定速度將空氣吹過該膜的外側。實驗重復進行。在幾天內測量該杯、水和膜組件的重量，求結果的平均值。水蒸氣滲透穿過該膜的速率被稱為“水滲透蒸氣速率”，其測量在給定膜厚度、溫度、濕度和空氣流速下的組件平均重量損失，表示為單位膜表面積和時間的質量損失。根據ASTM E96-95-Procedure BW，膜或薄層的WVTR一般在如下條件下測量膜厚度為25微米、空氣流速為3米/秒(3ms-1)、空氣溫度為23攝氏度(23℃)以及相對濕度為百分之五十(50％)。
有利的是，如果用親水聚合物如HYTREL(等)作為膜底部16，那么該水蒸氣全蒸發物是無菌的。
本發明的各種實施方案的蒸水器通常制造簡單并且如果需要的話可快速裝配。此外，簡單的機械設計使該蒸水器成本相對低。在附圖中所示的各種設計變化之間，各種優選和任選的特征可以混合搭配。
每個蒸水器所收集的水量(比如在24小時期間)體現了本發明的發明構思，就每單位表面積的產量而言，該水量不可能如在優化的實驗室條件下產生的那么多。然而，可以通過增加每個蒸水器中的膜表面積來補償，同時也可以通過確保使該蒸水器的性能盡可能優化來補償，例如通過有效除去小室內空氣中的水蒸氣。
至于收集技術，可以考慮將許多根據本發明各方面制造的蒸水器連接到一起，以便在單個小室之間建立互連通道，或者以便集中收集冷凝的飲用水并將其抽出，即將水放出。
雖然使本發明的蒸水器漂浮是有利的，但同時也希望它固定在適當位置(并且或者完全或者部分浸于污染水源24中)。實際上，對于一個永久定位的蒸水器，不需要將該蒸水器制成有浮力的，例如，它可以總是位于任何潮水線以下。實際上，當蒸水器完全浸沒時，冷凝過程將受益于由于環繞的污染水源24而在蒸水器內所獲得的較低的整體溫度。
當然，應當理解上述說明僅是通過舉例進行的，并且在本發明的范圍內可以進行詳細的改進。例如，本發明的蒸水器既不受形狀也不受尺寸的限制。實際上，放水可以通過一個或幾個出口實現，同時出口的設計能理想地確保飲用水從集水井16放出，并且外部的污染物不會分別再進入或進入集水井16中。在后一方面，排水的龍頭可以是雙開口的。如果將該蒸水器用于具有低水位的地區，可以考慮將集水井相當大程度地展平，以確保水源24和親水膜底部14之間的接觸最佳化。雖然，顯然優選浸沒的底部完全由膜材料制成，以使水接觸最佳化，但是這顯然也是一種設計方案，因為該親水膜可以并入一個不透水的框架中(以增強強度)，以便使相當大部分的蒸水器下表面(即底部)仍與水源24接觸。
也可以考慮，將不是所定義的親水膜的其它材料用于這里所公開的蒸水器設備中。然而，其它材料通常隨著時間的推移會阻塞和封閉，因此顯然優選無孔的蒸氣可滲透膜。
權利要求
1.一種蒸水器，其包括一個小室，該小室具有一個基本上不透水的上部和與該基本上不透水的上部相連的底部，該底部由膜形成，該膜支持透過其的水全蒸發過程；和一個集水井，該集水井具有一個開口，在所述小室內從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井位于所述底部之內，并且通常從其中向外延伸。
2.權利要求1的蒸水器，其還包括許多在所述小室內形成的冷凝塔板。
3.權利要求2的蒸水器，其中的許多冷凝塔板使水滴進入集水井。
4.權利要求1的蒸水器，所述不透水的上部具有一個內表面，水滴在所述內表面上冷凝，該蒸水器還包括一個邊緣的開槽和渠道設備，配置這些設備是用來收集在所述內表面上形成的水滴并將這樣形成的水滴導入所述集水井。
5.權利要求1的蒸水器，其還包括一個與所述集水井相連并向上明顯延伸入所述小室的中心軸，該中心軸起到作為基本上不透水的上部的結構支撐、冷凝表面和散熱途徑中的至少一種作用。
6.權利要求1的蒸水器，其中所述集水井在使用中用作受熱器。
7.權利要求1的蒸水器，其中所述集水井包括許多葉輪。
8.權利要求1的蒸水器，其中使所述底部的膜起皺以增加表面積。
9.權利要求1的蒸水器，其中所述底部是傾斜的。
10.權利要求1的蒸水器，其中所述集水井包括一個面向外的凸緣。
11.權利要求1的蒸水器，其中所述集水井包括一個內凸緣，其一般為紗網狀結構，用以限制水從集水井中溢出。
12.權利要求1的蒸水器，其中所述集水井的開口通常位于超出最高標稱基準面的位置。
13.權利要求9的蒸水器，其中所述底部包括一個排水口。
14.權利要求1的蒸水器，其還包括導向管，其連接蒸水器的周邊和所述集水井。
15.權利要求1的蒸水器，其在所述小室內包括一個機械驅動的風扇。
16.權利要求1的蒸水器，其中所述膜含有共聚醚酯彈性體，其水蒸氣滲透率至少為400g/m2/24hr，并優選水蒸氣滲透率大于1000g/m2/24hr。
17.權利要求1的蒸水器，其中用一個外部緩沖器保護在所述外側部分和底部14之間的交叉部分。
18.權利要求1的蒸水器，其還包括一個由基本上不透水的囊和所述底部形成的貯水池，配置該貯水池以接收和儲存用于全蒸發通過所述膜的污染水。
19.一種蘑菇形蒸水器，其包括一個濕潤小室，該濕潤小室由一個基本上不透水的圓頂上部形成，該圓頂上部與一個膜底部相連，所述膜底部支持透過其的水全蒸發過程；一個導熱的集水井，該集水井具有一個開口，在所述濕潤小室從水全蒸發過程內冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井位于所述底部之內，并通常從其中向下延伸；和一個水龍頭，其與導熱的集水井相連，用于將飲用水從該蘑菇形蒸水器中放出。
20.一種凈化污染水的方法，其包括形成一個濕潤小室，該濕潤小室具有一個基本上不透水的上表面，該上表面與一個膜底部相連，該膜底部支持透過其的水全蒸發過程；提供一個集水井，該集水井在所述濕潤小室之內具有一個開口；提供一個與所述膜底部并置的污染水的給水，由此形成一個橫穿膜底部的蒸汽壓力梯度；和將在所述濕潤小室內冷凝的水導入所述開口中。
21.權利要求20的凈化污染水的方法，其還包括將該濕潤小室內產生的熱量借助于集水井散熱到水源中。
22.權利要求20的凈化污染水的方法，其還包括將所述濕潤小室內冷凝的水滴引導離開所述膜底部，并進入所述集水井。
23.權利要求20的凈化污染水的方法，其還包括將集水井內收集的水定期放出。
24.權利要求20的凈化污染水的方法，其中所述膜底部含有共聚醚酯彈性體，其水蒸氣滲透率至少為400g/m2/24hr，并優選水蒸氣滲透率大于1000g/m2/24hr。
25.一種蒸水器，其包括一個濕潤小室，該小室在基本上不透水的部分和無孔膜之間形成，該無孔膜支持透過其的水全蒸發過程；和一個集水井，該集水井具有一個開口，在所述小室內從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口，該集水井的位置對著濕潤小室的底部。
26.權利要求25的蒸水器，其中所述基本上不透水的部分為所述蒸水器提供了側壁和底部，并因此起到使水滴匯集入集水井的作用。
27.權利要求25的蒸水器，其中所述無孔膜給所述濕潤小室提供了頂篷。
28.權利要求27的蒸水器，其中所述無孔膜是傾斜的。
29.權利要求25的蒸水器，其還包括一個與所述無孔膜并置的防護屏。
30.一種凈化污染水的方法，其包括形成一個濕潤小室，該濕潤小室具有一個基本上不透水的表面，該表面與一個無孔膜相連，該無孔膜支持透過其的水全蒸發過程；提供一個集水井，該集水井具有一個對著所述濕潤小室底部的開口；將污染水源與無孔膜接觸，由此形成一個橫穿無孔膜的蒸汽壓力梯度；和在重力作用下將在所述濕潤小室內冷凝的水導入所述開口中。
31.權利要求30的凈化污染水的方法，其中接觸步驟在所述無孔膜上進行。
全文摘要
一種機械蒸水器(10)包括不透水的圓頂狀上表面(12)和連接(26)到不透水的圓頂狀上表面(12)的膜底部(14),從而在膨脹時形成一個小室(20)。該膜底部(14)支持透過其的水全蒸發過程。集水井(16)具有一個開口,從水全蒸發過程冷凝的水滴收集進入該開口。集水井(16)位于膜底部(14)之內,并且如(圖1)所示,通常從該膜底部(14)向外向下延伸。使用中,最好將污染水源(24)與該膜底部(14)完全接觸,使集水井(16)既起到向該水源(24)散熱的受熱器的作用,又在該蒸水器(10)漂浮和浸沒于該水源(24)時起到為其提供穩定性的作用。
文檔編號C02F1/14GK1368941SQ00811342
公開日2002年9月11日 申請日期2000年8月3日 優先權日1999年8月6日
發明者M·C·湯金, M·A·楊, N·D·埃克特 申請人:納幕爾杜邦公司, 設計技術及灌溉有限公司