JP2010119904A - 空気揚水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】揚水装置等の設備を増加させることなく、電気使用量を最小限に抑えた上で、水質浄化を充分に果たすために、揚水の効率化を徹底的に追及して実現した空気揚水装置を提供する。
【解決手段】フロート３で起立姿勢に保持された状態で水底付近に係留される揚水筒７と、この揚水筒７内に気泡を噴出する散気管部材３６とを備え、この気泡によって、揚水筒７の下端開口から上端開口に向けて揚水する空気揚水装置である。揚水筒７の下端部に、下向き錐形状のスカート部３５が形成され、このスカート部３５の下方に、スカート部３５の内面と一定の隙間Ｓを隔てて対向する外面に、気泡を噴出する散気孔３６ａが形成された上向き錐形状の散気管部材３６が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気揚水装置に関する。

従来、空気揚水装置は、図６に示すように、フロート３で起立姿勢に維持された状態でダム湖等の水底（湖底）１付近に係留される内筒（揚水筒）７と、この内筒７内に気泡を噴出する散気管６とを備えている。そして、この気泡によって、内筒７の下端開口７ａから上端開口７ｂに向けて揚水するようになっている。

この空気揚水装置は、図６では深層曝気装置２として応用されて、水底付近の深層（下層）の水をエアーレーションにより循環（矢印ａ参照）させるものである（特許文献１参照）。

具体的には、水底１にシンカー１５で係留された状態でフロート３の浮力により起立状態に保持される曝気本体４を備えている。そして、送気管５から送られたエアーによる散気管６からのエアーレーションの上昇流ｂで内筒７内に吸水して、溶存酸素量を上げた水ｃを上方から下方に反転させる。その後、外筒８との間の出口９から外部（深層）に排水することで、下層水を下層で循環させながら深層の嫌気化を予防するものである。

かかる深層曝気装置２では、曝気本体４内のエアー溜め室１０と、水面Ｌ１上に浮上する排気フロート１１の排気調整弁１２とを排気用ホース１３で連結している。そして、曝気本体４内の余剰エアーを排気用ホース１３から排気調整弁１２を介して大気中に排気することで、曝気本体４の表層（上層）の水を攪拌しないようにしている。また、曝気本体４は、例えば水深が５０ｍとすると、水深が２０ｍの付近に位置するように設定されている。なお、１４は、緊急排気ホースである。

さらに、曝気本体４内のエアー溜め室１０には反転水面Ｌ２が設定され、反転水面Ｌ２が低すぎると、溶存酸素量を上げた水が反転できないので、深層に排水できなくなるおそれがある。逆に、反転水面Ｌ２が高すぎると、溶存酸素量を上げた水が排気用ホース１３から排気調整弁１２を介して水面Ｌ１に排水されるおそれがある。この反転水面Ｌ２の設定は、排気調整弁１２で排気量を微調整することで行っている。

一方、揚水筒から圧縮空気を放出することにより、下層水を上層に揚水して、揚水した下層水を上層に循環させることで、水質浄化を行うようにした本来の空気揚水装置もある（特許文献２参照）。

ところで、地球温暖化に伴って、年々ダム湖の水温上昇が早くなってきている。そのため、藻類の発生が顕著になり、且つ、その死骸が水底に堆積する割合も増加し、水底付近の酸素消費量も増加傾向にあるため、水質浄化を充分に果たすためには、攪拌曝気等の能力を上げる必要がある。
特許第１９７７５１０号（特公平７−１０３９６号）公報 特開平１０−１６５９８８号公報

しかしながら、攪拌曝気等の能力を上げるためには、揚水装置等の設備を増加させる必要があり、それに伴って、電気使用量の増加、ＣＯ_２の排出の増加は、環境保全の上で好ましくない。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、揚水装置等の設備を増加させることなく、電気使用量を最小限に抑えた上で、水質浄化を充分に果たすために、揚水の効率化を徹底的に追及して実現した空気揚水装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、フロートで起立姿勢に保持された状態で水底付近に係留される揚水筒と、この揚水筒内に気泡を噴出する散気管部材とを備え、この気泡によって、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水する空気揚水装置において、前記揚水筒の下端部に、下向き錐形状のスカート部が形成され、このスカート部の下方に、スカート部の内面と一定の隙間を隔てて対向する外面に、気泡を噴出する散気孔が形成された上向き錐形状の散気管部材が配置されていることを特徴とする空気揚水装置を提供するものである。

請求項２のように、請求項１において、前記揚水筒のスカート部の内面と散気管部材の外面とが一定の隙間を隔てて対向するように、揚水筒と散気管部材とが連結具で連結されているとともに、前記揚水筒または散気管部材は、水底のシンカーに係留具で係留されている構成とすることができる。

請求項３のように、請求項１において、前記散気管部材は、水底のシンカーに配置され、前記揚水筒のスカート部の内面と散気管部材の外面とが一定の隙間を隔てて対向するように、揚水筒と散気管部材とが連結兼係留具で連結・係留されている構成とすることができる。

請求項４のように、請求項１〜３のいずれか一項において、前記揚水筒を内筒とし、この内筒の外側に嵌め合わされる有頂筒状の外筒が設けられ、この外筒で、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水した下層水を反転させ、外筒の下端開口から排水することで、下層水を下層で循環させるものである構成とすることができる。

請求項５のように、請求項４において、前記外筒の下端開口は、下向きに傾斜させながら外方に突出させている構成とすることができる。

請求項６のように、請求項１〜３のいずれか一項において、前記揚水筒は、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水した下層水を上層に循環させるものである構成とすることができる。

本発明によれば、揚水筒の下端部に下向き錐形状のスカート部を形成し、このスカート部の下方に、一定の隙間を隔てて上向き錐形状の散気管部材を配置したものである。したがって、気泡によって、下層水を揚水筒の下端開口から揚水する際に、散気管部材の上向き錐形状部の外面とスカート部の内面との間の隙間に下層水がスムーズにガイドされるようになるので、揚水効果が格段に向上するようになる。

また、揚水筒内に散気管等の障害物が無いので、水の流れがスムーズになり、この点からも揚水効果が向上するようになる。

さらに、水底から散気管部材までの高さを高くできるので、揚水筒のほほ真下付近の底泥が巻き込まれにくくなって、底泥を撒き散らすおそれが少なくなり、水質浄化も充分に果たせるようになる。

このように、簡単な構成で揚水の効率化を徹底的に追及することで、揚水装置等の設備を増加させることなく、電気使用量を最小限に抑えた上で、水質浄化を充分に果たせることを実現できるようになった。

請求項２によれば、揚水筒はフロートで浮力が付与されているから、水底のシンカーに揚水筒または散気管部材を係留具で係留すれば、揚水筒のスカート部と散気管部材が一定の隙間を隔てて常に対向するように維持できるようになる。

また、既存のスカート部を有する揚水筒であっても、散気管部材を揚水筒に連結具で連結するだけで、本発明を適用できるようになる。

さらに、水底から散気管部材までの高さを高くできることで、散気管部材の散気孔に底泥が目詰まりしにくくなる。

また、水底のシンカーに揚水筒または散気管部材を係留具で係留しているから、係留具を外せば、フロートの浮力で揚水筒とともに散気管部材が水面付近まで浮上するので、水面付近で散気孔の目詰まりを解消するための作業ができ、安全性が向上するようになる。

請求項３によれば、揚水筒はフロートで浮力が付与されているから、揚水筒と散気管部材（シンカー）とを連結兼係留具で連結・係留すれば、揚水筒のスカート部と散気管部材が一定の隙間を隔てて常に対向するように維持できるようになる。

また、既存のスカート部を有する揚水筒であっても、散気管部材を水底のシンカーに配置するだけで、本発明を適用できるようになる。

請求項４によれば、下層水を下層で循環させる深層曝気装置として応用することができる。

請求項５によれば、外筒の下端開口が水平である場合に比べて（特許文献１参照）、排水がスムーズになるので、この点からも揚水効果が向上するようになる。

請求項６によれば、下層水を上層に循環させる本来の揚水装置として応用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成・作用の箇所は、同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図１〜図４は、第１実施形態の空気揚水装置であり、下層水を下層で循環させる水没式複合型深層曝気装置２２として応用したものである。

この曝気装置２２は、ダム湖等の水底１に係留されて、水底付近の深層（下層）の水をエアーレーションにより循環（矢印ａ参照）させるものである。

曝気装置２は、水底１にシンカー１５で係留された状態で自立用フロート３の浮力により起立状態に保持される曝気本体２４を備えている。そして、送気管５から送られたエアーによる散気管部材３６からのエアーレーションの上昇流ｂで内筒（揚水筒）７内に吸水して、溶存酸素量を上げた水ｃを上方から下方に反転させる。その後、内筒７の外側に嵌め合わされる有頂筒状の外筒８との間の出口（外筒８の下端開口）９から外部（深層）に排水することで、深層の嫌気化を予防するものである。

この外筒８の出口（下端開口）９は、下向きに傾斜させながら外方に突出させている。なお、出口９は、曝気本体２４の全周に形成されている。

曝気本体２４の外筒８の頂部は半球状に形成され、内筒７の上端部との間には、エアーレーションの余剰エアーｄを溜めるエアー溜め室１０が形成されている。また、外筒８の頂部には、エアー溜め室１０の余剰エアーｄを水中に散気するために、内外に貫通する散気管（排気調整弁）２７が設けられている。なお、２８は、エアー溜め室１０内のエアー圧が異常に上がった時に開いて、余剰エアーｄを水中に緊急排気するための緊急排気管である。

図２（ａ）に要部を拡大して示すように、フロート弁３３を有する散気管２７は、内端部に弁座板３０が水密（気密）状態で固定され、弁座板３０の中央位置には、下向きテーパ状の弁座３０ａが形成されている。

弁座板３０には、弁座３０ａの周囲に、図２（ａ）のＡ−Ａ線拡大断面図である図２（ｃ）のように、円周上等角度間隔（本例では９０°間隔）で４本の支柱３１の上端部が固定されている。また、各支柱３１の下端部には、図２（ａ）のＢ−Ｂ線拡大断面図である図２（ｄ）のように、フロート弁３３の下動位置を規制するストッパー板３２が固定されている。

弁座板３０の弁座３０ａに対向して、４本の支柱３１の間で保持されて上下動ガイドされる円錐形状のフロート弁３３が設けられている。このフロート弁３３は、ガラス繊維強化プラスチック製若しくは木材製で、下部にフロート部３３ａを有して水に浮く比重に設定されていて、エアー溜め室１０の反転水面Ｌ２に浮かんで、反転水面Ｌ２の変動に追従して上下動するようになる。

そして、図２（ａ）のように、反転水面Ｌ２が上がったときに〔Ｌ２（Ｕ）参照〕フロート弁３３が上動することで、フロート弁３３の上部が弁座３０ａに下方から嵌り込むことで弁座３０ａを閉じるようになる。逆に、図２（ｂ）のように、反転水面Ｌ２が下がったときに〔Ｌ２（Ｄ）参照〕フロート弁３３が下動することで、フロート弁３３の上部が弁座３０ａから抜け出ることで弁座３０ａを開くようになる。

散気管２７の弁座板３０には、フロート弁３３で弁座３０ａを閉じている時に、極少量の水ｃを散気管２７内に流し込むバイパス部３４が形成されている。

このように、フロート弁３３を有する散気管２７を曝気本体２４に設ければ、図２（ａ）のように、反転水面Ｌ２が上がる〔Ｌ２（Ｕ）参照〕のに従って上動するフロート弁３３Ａで第２散気管２７の弁座３０ａを閉じるようになる。そして、エアー溜め室１０に余剰エアーｄが溜まることでエアー圧が上がって反転水面Ｌ２が下がる〔Ｌ２（Ｄ）参照〕ようになる。

また、図２（ｂ）のように、反転水面Ｌ２が下がる〔Ｌ２（Ｄ）参照〕のに従って下動するフロート弁３３Ａで第２散気管２７の弁座３０ａを開くようになる。そして、エアー溜め室１０の余剰エアーｄが第２散気管２７から水中に散気されることでエアー圧が下がって反転水面Ｌ２が上がる〔Ｌ２（Ｕ）参照〕ようになる。

この結果、反転水面Ｌ２の変動〔Ｌ２（Ｕ）、Ｌ２（Ｄ）参照〕に追従して上下動するフロート弁３３でエアー溜め室１０の余剰エアー量を制御することで、反転水面Ｌ２を自動的に適正範囲Ｈに設定できるようになる。

また、エアー溜め室１０に溜まった余剰エアーｄは、曝気本体２４の散気管２７から水中に散気されるから、曝気本体２４の表層（上層）に散気による水流（図１の矢印ｅ参照）が生じるようになる（循環曝気攪拌）。この余剰エアーｄを有効に利用することによって、表層（上層）を攪拌して水温を均一化できるとともに、表層（上層）におけるアオコのような藻類の発生を抑制できるようになる。

さらに、特許文献１のような排気用ホース１３，１４が不要になるから、維持管理費が削減できるとともに、水面上に浮き上がるという問題も無くなるので、景観性を損なうおそれもなくなる。

一方、曝気本体２４の内筒（揚水筒）７の下端部には、図３（ａ）（ｂ）に詳細に示すように、下向き円錐形状のスカート部３５が形成されている。このスカート部３５の下方には、スカート部３５の内面と一定の隙間Ｓを隔てて対向する外面の頂部付近には、円周上等角度間隔で、気泡を噴出する複数個の散気孔３６ａが形成された上向き中空円錐形状（シャープドコーン）の散気管部材３６が配置されている。この散気管部材３６の下部の入口３６ｂに送気管５が接続されて、送気管５から散気管部材３６に送気された空気を気泡ｇとして、各散気孔３６ａから連続的に噴出するようになる。なお、スカート部３５と散気管部材３６は多角錐形状であってもよい。

また、内筒７のスカート部３５の内面と散気管部材３６の外面とが一定の隙間Ｓを隔てて対向するように、内筒７のスカート部３５と散気管部材３６とが円周上略等角度間隔（本例では１２０度）で、チェーンのような撓む連結具３７で連結されている。さらに、散気管部材３６は、水底１のシンカー１５に、円周上略等角度間隔でチェーンのような撓む係留具３８で係留されている。

この場合、内筒７を含む曝気本体２４は、フロート３で浮力が付与されている。したがって、チェーンのような連結具３７と係留具３８は、図３（ａ）のように上方に引っ張られた状態となるから、特に連結具３７によって、内筒７のスカート部３５の内面と散気管部材３６の外面とが一定の隙間Ｓが隔てられるようになる。

また、図４に示すように、内筒７のスカート部３５の内面と散気管部材３６の外面とが一定の隙間Ｓを隔てて対向するように、内筒７のスカート部３５と散気管部材３６とが円周上略等角度間隔（本例では１２０度）で、シャフトのような撓まない連結具３７´で連結する。さらに、内筒７のスカート部３５は、水底１のシンカー１５に、円周上略等角度間隔でチェーンのような撓む係留具３８で係留するようにしてもよい。

この場合、内筒７を含む曝気本体２４は、フロート３で浮力が付与されているから、チェーンのような係留具３８は、図４のように上方に引っ張られた状態となる。しかし、連結具３７がチェーンのような撓むものであれば、散気管部材３６の浮力作用で隙間Ｓが隔てられなくなる。そこで、シャフトのような撓まない連結具３７´を用いることによって、内筒７のスカート部３５の内面と散気管部材３６の外面とが一定の隙間Ｓが隔てられるようになる。

第１実施形態の水没式複合型深層曝気装置２２としての空気揚水装置であれば、内筒（揚水筒）７の下端部に下向き錐形状のスカート部３５を形成し、このスカート部３５の下方に、一定の隙間Ｓを隔てて上向き錐形状の散気管部材３６を配置したものである。

したがって、気泡ｇによって、下層水を内筒７の下端開口から揚水する際に、散気管部材３６の上向き錐形状部の外面とスカート部３５の内面との間の隙間Ｓに下層水がスムーズにガイドされるようになるので、揚水効果が格段に向上するようになる。

また、内筒７内に特許文献１のような散気管６等（図６参照）の障害物が無いので、水の流れがスムーズになり、この点からも揚水効果が向上するようになる。

さらに、水底１から散気管部材３６までの高さＴ（図４参照）を高くできるので、内筒７のほほ真下付近の底泥が巻き込まれにくくなって、底泥を撒き散らすおそれが少なくなり、水質浄化も充分に果たせるようになる。

また、水底１から散気管部材３６までの高さを高くできることで、散気管部材３６の散気孔３６ａに底泥が目詰まりしにくくなる。

さらに、水底１のシンカー１５に内筒７または散気管部材３６を係留具３８で係留している。したがって、散気管部材３６の散気孔３６ａに底泥が目詰まりした場合、潜水夫が水底（例えば水深５０ｍ）１まで潜って係留具３８を外せば、フロート３の浮力により、曝気本体２４とともに散気管部材３６を水面付近まで浮上させることができる。これにより、潜水夫は、水底１で散気孔３６ａの目詰まりを解消するための作業を長時間に亘ってする必要が無くなり、水面付近で作業できるので、安全性が向上するようになる。

このように、簡単な構成で揚水の効率化を徹底的に追及することで、揚水装置等の設備を増加させることなく、電気使用量を最小限に抑えた上で、水質浄化を充分に果たせることを実現できるようになった。

さらに、内筒７はフロート３で浮力が付与されているから、水底１のシンカー１５に内筒７または散気管部材３６を係留具３８で係留すれば、内筒７のスカート部３５と散気管部材３６が一定の隙間Ｓを隔てて常に対向するように維持できるようになる。

また、特許文献１のように、既存のスカート部を有する揚水筒（内筒）７であっても、散気管部材３６を揚水筒７に連結具３７（３７´）で連結するだけで、本発明を適用できるようになる。

さらに、外筒８の出口（下端開口）９は、下向きに傾斜させながら外方に突出させているから、外筒８の下端開口が水平である場合に比べて（特許文献１参照）、排水がスムーズになるので、この点からも揚水効果が向上するようになる。

図５は、第２実施形態の空気揚水装置であり、下層水を上層に循環させる本来の空気揚水装置として応用したものである。

この空気揚水装置４０は、ダム湖等の水底１に係留されて、水底付近の深層（下層）の水をエアーレーションにより上層に循環（矢印ｆ参照）させるものである。

空気揚水装置４０は、水底１のシンカー１５のチェーンのような連結兼係留具４１が下端部に係止されるとともに、自立用フロート３が上部に取付けられた円筒状の揚水筒７を備えている。

シンカー１５として、扁平な板形状のアンカーブロック１５ａを設け、この上部に、上向き中空円錐形状（シャープドコーン）の散気管部材３６を配置している。散気管部材３６の頂部付近には、円周上等角度間隔で複数個の散気孔３６ａが形成されている。

この散気管部材３６の側部の入口３６ｂに送気管５が接続されて、送気管５から散気管部材３６に送気された空気を気泡ｇとして、各散気孔３６ａから連続的に噴出するようになる。この気泡ｇの上昇流によって、下層水を上層に揚水するようになる。

第２実施形態の本来の空気揚水装置４０であれば、揚水筒７のほぼ真下のシンカー１５の上部に、上向き円錐形状の散気管部材３６を配置するとともに、揚水筒７の下端部にスカート部３５を形成したものである。したがって、下層水ｈを揚水筒７の下端開口から揚水する際に、散気管部材３６の上向き錐形状部の外面とスカート部３５の内面との間の隙間Ｓに下層水ｈがスムーズにガイドされるようになる。その結果、揚水筒７のほほ真下の底泥が巻き込まれにくくなって、底泥を上層に撒き散らすおそれが少なくなり、水質浄化を充分に果たせるようになる。

また、上向き錐形状の散気管部材３６から気泡を連続的に噴出するようにしたから、揚水筒から空気塊を一気に放出することで下層水を上層に揚水する間欠式の空気揚水装置と比べて、揚水効果が格段に向上するようになる。

さらに、揚水筒７内に障害物（特許文献１のような散気管等）が全く無いので、水の流れがスムーズになり、特許文献１と比べて、約１．４倍程度で揚水効果が向上するようになる。

また、揚水筒７はフロート３で浮力が付与されているから、揚水筒７と散気管部材３６（シンカー１５）とを連結兼係留具４１で連結・係留すれば、揚水筒７のスカート部３５と散気管部材３６が一定の隙間Ｓを隔てて常に対向するように維持できるようになる。

また、既存のスカート部を有する揚水筒７であっても、散気管部材３６を水底１のシンカー（アンカーブロック１５ａ）１５に配置するだけで、本発明を適用できるようになる。

本発明の第１実施形態に係る空気揚水装置である水没式複合型深層曝気装置の側面図である。 （ａ）は散気管の弁座を閉じたフロート弁の側面図、（ｂ）は散気管の弁座を開いたフロート弁の側面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ線拡大断面図、（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ線拡大断面図である。 （ａ）は図１の要部拡大図、（ｂ）は、散気管部材の平面図である。 本発明の第１実施形態に係る空気揚水装置の変形例の側面図である。 本発明の第２実施形態に係る本来の空気揚水装置の側面図である。 特許文献１の曝気装置の側面図である。

符号の説明

１ 水底
３ フロート
７ 内筒（揚水筒）
８ 外筒
９ 出口（外筒の下端開口）
２２ 水没式複合型曝気装置
３５ スカート部
３６ 散気管部材
３６ａ 散気孔
３７，３７´ 連結具
３８ 係留具
４０ 空気揚水装置
４１ 連結兼係留具
Ｓ 隙間

Claims (6)

1. フロートで起立姿勢に保持された状態で水底付近に係留される揚水筒と、この揚水筒内に気泡を噴出する散気管部材とを備え、この気泡によって、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水する空気揚水装置において、
   前記揚水筒の下端部に、下向き錐形状のスカート部が形成され、このスカート部の下方に、スカート部の内面と一定の隙間を隔てて対向する外面に、気泡を噴出する散気孔が形成された上向き錐形状の散気管部材が配置されていることを特徴とする空気揚水装置。
2. 前記揚水筒のスカート部の内面と散気管部材の外面とが一定の隙間を隔てて対向するように、揚水筒と散気管部材とが連結具で連結されているとともに、前記揚水筒または散気管部材は、水底のシンカーに係留具で係留されていることを特徴とする請求項１に記載の空気揚水装置。
3. 前記散気管部材は、水底のシンカーに配置され、前記揚水筒のスカート部の内面と散気管部材の外面とが一定の隙間を隔てて対向するように、揚水筒と散気管部材とが連結兼係留具で連結・係留されていることを特徴とする請求項１に記載の空気揚水装置。
4. 前記揚水筒を内筒とし、この内筒の外側に嵌め合わされる有頂筒状の外筒が設けられ、この外筒で、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水した下層水を反転させ、外筒の下端開口から排水することで、下層水を下層で循環させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気揚水装置。
5. 前記外筒の下端開口は、下向きに傾斜させながら外方に突出させていることを特徴とする請求項４に記載の空気揚水装置。
6. 前記揚水筒は、揚水筒の下端開口から上端開口に向けて揚水した下層水を上層に循環させるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の空気揚水装置。

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