JP2011224502A - 混流ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な装置で水処理装置の原水・空気混流ノズルの内壁上に酸化物の堆積固化が生じることを防止できる混流ノズルを提供する。
【解決手段】 ノズルの一端部の送水管連結部（２）から下流側に空気取入れ口（３）が形成され、ノズルの他端部には水と空気の混流をジェット流として噴出する混流噴出口（４）が形成された混流ノズルにおいて、空気取入れ口の下流側においてノズル管壁に固定され混流噴出口（４）近傍に延長し、混流と衝突して該混流から受ける力によって旋回するようにノズル内を連続的に移動することによってノズル内壁に接触するねじれチェーン（１１）からなるノズル内壁洗浄手段を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水処理装置の混流ノズルに関し、特に地下水等の原水中の鉄、マンガンその他の溶解性成分を、酸化剤や凝集剤等の化学品を使用することなく酸化させ、不溶化することにより処理する水処理装置に使用される原水と空気の混流の送水に使用される混流ノズルに関する。

地下水等の中の鉄、マンガンその他の溶解成分を、酸化剤や凝集剤等の薬剤を使用することなく、簡単で小型の装置で酸化させ不溶化することにより処理する水処理装置として、特許文献１記載の水処理装置が提案されている。この水処理装置によれば、一端部が地下水等の原水送水管に連結され、この送水管連結部から下流側に空気導入管等の空気取入れ口が形成され、他端部には原水送水管から送水された原水と空気取入れ口から導入された空気の混流を噴出する混流噴出口が形成された混流ジェットノズルが設けられており、この混流ジェットノズルから噴出される多数の気泡を含むジェット混流がその下方に配置された濾材層の水面に叩きつけられ、水中および濾材表面において激しいエアレーションが起こることにより、水中の鉄、マンガン等の溶解性成分が酸化されて不溶性成分となり、フロックを形成するかまたは沈殿して濾材層を形成する濾過砂等の濾材表面で補足され、酸化剤等を一切必要とすることなく、簡単で小型の装置で原水中の鉄、マンガンその他の溶解性成分を不溶化し濾過することができる。

この混流ノズルの作用をさらに詳しく述べると、この混流ノズルを通った原水は、空気取入れ口から導入された空気と混合されて溶存酸素が飽和状態となり、原水中の溶解性酸化第１鉄イオンは溶存酸素によって酸化され、濾過砂表面にイオン水酸化鉄被膜を形成する。この被膜が触媒となって溶解性第１鉄イオンの酸化を促進し、水酸化第２鉄として鉄の除去率をさらに高める。この水酸化第２鉄も濾過砂に付着する。

特開２００２−１２６７６８号公報

この混流ノズルに特有の問題として、混流ノズルの内壁上に酸化鉄その他の酸化物が堆積し固化するという問題がある。すなわち、混流ノズルの空気取入れ口から原水中に導入された空気による溶存酸素は、濾材層において水酸化第２鉄を生成するばかりでなく、混流ノズル内を通過中も原水中の溶解性水酸化第１鉄イオンを酸化させ、混流ノズルの内壁面上にイオン水酸化被膜を形成させる。そしてこの被膜が触媒となって、水酸化第２鉄が生成する。この場合、混流ノズルの管路はステンレス鋼で形成されているので、管路の内壁が錆びることはないが、混流ノズルの空気取入れ口下流側の内壁上に水酸化第２鉄その他の酸化物が急速に堆積し、この堆積物が固化して厚い層を形成し、混流ノズルの目詰まりを生じさせる。そこで、この水処理装置においては、数ヶ月ごと等定期的に混流ノズルを取り外し、ドリルでこの酸化物の堆積物を削り取る作業が必要となり、堆積が甚だしい場合は、混流ノズル内を塩酸等で洗浄する作業を行わなければならない。このため、この期間は水処理作業を休止しなければならず、作業効率を悪化させることになる。

本発明は、上記従来の水処理装置の問題点にかんがみなされたものであって、頻繁な堆積物除去作業を必要とせずに、簡単な装置で水処理装置の原水・空気混流ノズルの内壁上に水酸化鉄等の酸化物の堆積固化が生じることを防止することができる混流ノズルを提供しようとするものである。

本発明者は、上記問題を解決するために鋭意研究と実験を重ねた結果、混流ノズルを通過するジェット流のエネルギーの強さに着目し、このジェット流のエネルギーを利用して、混合ノズルの空気取入れ口の下流側において混流と衝突し、混流から受ける力によって運動して混流ノズルの内壁に接触する部材を設けることにより、外部から人力またはなんらの動力も加えることを必要とせずに自動的に混流ノズル内壁の洗浄を行うことが出来ることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明の上記目的を達成するため、本発明の第１の側面においては、ノズルの一端部に送水管に連結される送水管連結部が形成され、該送水管連結部から下流側に空気取入れ口が形成され、ノズルの他端部には水と空気の混流をジェット流として噴出する混流噴出口が形成された混流ノズルにおいて、該空気取入れ口の下流側においてノズル管壁に固定され該混流噴出口近傍に延長し、前記混流と衝突し、該混流から受ける力によって旋回するようにノズル内を連続的に移動することによってノズル内壁に接触する部材からなるノズル内壁洗浄手段を備えることを特徴とする混流ノズルが提供される。

本発明の第２の側面において、該ノズル内壁洗浄手段はねじれチェーンであることを特徴とする。

本発明の第３の側面において、該ねじれチェーンはその上端部に通されたピンによって該ノズル管壁の半径方向両側に固定されており、ノズルの半径方向中央部から垂下することを特徴とする。

本発明の第４の側面において、該ピンはノズルの長手方向に上下１組が設けられていることを特徴とする。

本発明の第５の側面において、該ノズル内壁洗浄手段はスウィベルに取り付けられた複数のワイヤであることを特徴とする。

本発明の第６の側面において、該ノズルの内壁の径は下流側が上流側よりも大径であり、上流側の小径部から下流側の大径部への移行部分はその内径が漸次増加するように形成されていることを特徴とする。

本発明の上記第１の側面によれば、空気取入れ口の下流側においてノズル管壁に固定され混流噴出口近傍に延長し、混流と衝突し、該混流から受ける力によって旋回するようにノズル内を連続的に移動することによってノズル内壁に接触する部材からなるノズル内壁洗浄手段を備えることにより、外部から人力またはなんらの動力も加えることを必要とせずに自動的に混流ノズル内壁の洗浄を行うことができ、その結果混流ノズルの空気取り入れ口下流側の内壁上に水酸化第２鉄その他の酸化物が堆積固化することが防止され、従来頻繁に行われていた混流ノズルを取外して酸化物を取り除く作業が必要なくなり、水処理装置の作業能率を大幅に向上させることができる。

本発明の第２の側面によれば、ノズル内壁洗浄手段をねじれチェーンで構成することにより、市販の安価なチェーンを使用することができ、簡単な装置で効率よく本発明の目的を達成することができる。

本発明の第３の側面によれば、ねじれチェーンはその上端部に通されたピンによって該ノズル管壁の半径方向両側に固定されており、ノズルの半径方向中央部から垂下することにより、簡単な部材によってねじれチェーンを管壁に固定することができるとともに、ねじれチェーンをノズルの中央部に支持することができ、ねじれチェーンの円滑な運動が可能となる。

本発明の第４の側面によれば、該ピンはノズルの長手方向に上下１組が設けられていることにより、運動するチェーンとの摩擦によりチェーンと直接接触する上側のピンが磨耗により切断しても、チェーンは下側のチェーンによって保持され、落下することが防止される。

本発明の第５の側面によれば、ノズル内壁洗浄手段をスウィベルに取り付けられた複数のワイヤで構成することにより、この複数のワイヤが回転してノズル内壁に接触し、簡単な装置で効率よく本発明の目的を達成することができる。

本発明の第６の側面によれば、ノズルの内壁の径は下流側が上流側よりも大径であり、上流側の小径部から下流側の大径部への移行部分はその内径が漸次増加するように形成されており、この移行部分において段差がないので、この移行部分も旋回運動をするノズル内壁洗浄手段によって下流側の小径部と均等に接触洗浄され、移行部分に酸化物の堆積固化が発生することを防止することができる。

本発明に係る混流ノズルの１実施形態を示す部分断面図である。 上記実施形態に使用されるねじれチェーンを構成する単位であるねじれリングの斜視図である。 上記実施形態に使用されるねじれチェーンを固定するピンの１例を示す斜視図である。 上記実施形態の変更例を示す部分断面図である。 上記実施形態の他の変更例において使用されるピンを示す側面図である。 本発明に係る混流ノズルの他の実施形態において使用されるノズル内壁洗浄手段を示す斜視図である。 図６のノズル内壁洗浄手段において使用されるスウィベルの断面図である。

以下添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。
図１は本発明に係る混流ノズルの好ましい１実施形態を示す部分断面図である。本発明の混流ノズルは、地下水の濾過を目的とする水処理装置に限らず、広範囲の水処理装置に適用することが可能なものであるが、本実施形態においては、地下水から鉄、マンガン等を濾過するための上記特許文献１等の水処理装置に適用された場合について説明する。

図１において、混流ノズル１は使用上上端部にあたる一端部２に送水管（図示せず）に連結される送水管連結部が形成され、送水管連結部２から下流側に外部から空気をノズル内に導入する空気取入れ口３が形成され、混流ノズル１の使用上下端部にあたる他端部には、送水管連結部２から供給される原水（地下水）と空気取入れ口３から導入される空気の混流をジェット流として噴出する混流噴出口４が形成されている。混流ノズル１の内壁の径は下流側の管路６は上流側の管路５よりも大径であり、小径の管路５と大径の管路６の間には管路５と同一内径の継手部７が介在して設けられている。継手部７の外壁にはねじが設けられており、内壁にねじが設けられたリング状のカップリング８，９によって、継手部７の両端部において管路５、６にそれぞれ接続されている。

混流ノズル１内において、空気取入れ口３の下流側において混流ノズル１の管壁に固定され、混流噴出口４近傍に延長し、混流と衝突し、該混流から受ける力によって旋回するようにして混流ノズル１内を連続的に移動することによって混流ノズル１の内壁に接触するノズル内壁洗浄手段１０は、本実施形態においてはねじれチェーン１１によって構成される。

このねじれチェーン１１は、図２の斜視図に示すように、楕円形のリングの一部をねじ曲げて変形させたねじれリング１１ａを構成単位として、このねじれリング１１ａを直線状に多数連結してなるチェーンである。ねじれチェーンは市販の鋼製その他金属製のものを使用することができるが、チェーンの材料は硬質プラスチック等金属以外の材料でもよく、形状も図２に示すもの以外の形状のねじれチェーンであってもよい。

多くの実験の結果、ねじれチェーンは旋回運動を連続的に行うことができるので本発明の目的を達成する上で有効であるが、通常のねじられていないフラットな楕円形リングまたは円形リングを構成単位とするチェーン（平チェーン）は、混流がチェーンと衝突してチェーンを動かすことがなく、チェーンに沿って垂直に落下してしまうので旋回動作が起こらず、本発明の目的達成上不適であることがわかった。

このねじれチェーン１１の一端部（使用時の上端部）のリング１１ａに図３の斜視図に示すような形状のピン１２を通す。このピン１２はねじれチェーン１１を支持する直線状のチェーン支持部１２ａとその両端部から立ち上がる立ち上がり部１２ｂと、立ち上がり部１２ｂの先端から曲がってチェーン支持部１２ａとほぼ平行に延長する短い直線状の固定部１２ｃが一体的に形成されたばねによって形成されている。ばねの材料は鋼製の他硬質プラスチック等他の材料でもよい。

このピン１２にねじれチェーン１１を通し、ピン１２の固定部１２ｃ、１２ｃを図１の管路５と継手部７の間の隙間に挿入し、カップリング８を締め付けることにより、ねじれチェーン１１は混流ノズル１の管壁の半径方向両側に固定され、混流ノズル１１を送水管に連結した使用状態においては、ねじれチェーン１１は、混流ノズル１の半径方向中央部から真下に垂下するようにしてピン１２によって吊るされる。ねじれチェーン１１の下端は混流噴出口４の近傍に達していれば、混流噴出口４の下端からわずかに上方（上流側）に位置していても酸化物の堆積固化はおおむね防止できるが、図示のようにねじれチェーン１１の下端が混流噴出口４から外側に突出するように位置させることにより酸化物の堆積を完全に防止できるのでより好ましい。

次にこのノズル内壁洗浄手段を構成するねじれチェーンの動作について説明する。
混流ノズル１の使用状態において、送水管連結部２から供給される原水と空気取入れ口３から導入された空気とが空気取入れ口３からピン１２の固定部付近に至る管路部分において混合され、この混流が溶存酸素を多量に含むジェット流として管路６を流下すると、ねじれチェーン１１を構成する各ねじれリング１１ａに混流が衝突し、混流の力によって各ねじれリング１１ａを横方向または斜め方向に動かす。その結果ねじれチェーン１１は全体として１方向（時計方向か反時計方向のいずれか）に旋回するようにして運動する。管路６として外部から管路内の動きが目視できるように透明な塩ビ管を使用して実験を行った結果、驚くべきことに、この運動は、単にチェーン先端部（下端部）の旋回にとどまらず、ピン１２の近傍部以外のねじれチェーン１１のほぼ全長にわたって旋回する運動であることがわかった。したがって、酸化物の堆積固化が生じやすい管路のほぼ全長にわたってねじれチェーン１１が管壁を摩擦するようにして管壁に接触し、酸化物の管壁への付着を防止する。その結果ジェット混流が流れている限り酸化物の管壁上の堆積固化が防止されることになる。

上記実施形態においては、ねじれチェーン１１を管壁に固定するために１本のピン１２を使用したが、その変更例として、図５に示すように、図３と同型のピンを上下２本１組としてねじれチェーン１１を管壁に固定するようにしてもよい。この場合、ねじれチェーン１１は上側のピン１２−１に接触して吊るされるので、運動するねじれチェーン１１との摩擦によりねじれチェーン１１と直接接触する上側のピン１２−１が磨耗して切断することが起こりうるが、たとえ上側のピン１２−１が切断しても、チェーンは下側のチェーン１２−２によって保持され、落下することが防止される。また、定期的に上側のピン１２−１を交換するようにメインテナンスを行えば、このような上側のピン１２−１の切断も未然に防止することができる。

図４は上記実施形態の他の変更例を示す部分断面図である。図４において、図１と同一構成要素は同一符号で示し、その説明を省略する。

上記のとおり、混流ノズル１の内壁の径は下流側の管路５が上流側の管路５および継手部７よりも大径に形成されているが、本変更例においては、上流側の小径部である継手部７から下流側の大径部である管路６への移行部分である管路６の上端部１３はその内径が漸次増加するように形成されており、この移行部分１３において段差がないので、この移行部分１３も旋回運動をするノズル内壁洗浄手段によって下流側の管路６の小径部と均等に接触洗浄され、移行部分１３に酸化物の堆積固化が発生することを防止することができる。

図６は本発明に係る混流ノズルの他の実施形態において使用されるノズル内壁洗浄手段を示す斜視図であり、図７は図６のノズル内壁洗浄手段において使用されるスウィベルの断面図である。

このノズル内壁洗浄手段１４はスウィベル１５に取り付けられた複数のワイヤ１６で構成されている。スウィベル１５は図７に断面を示すように、楕円球を長軸方向に上下に分割した上部１５ａと下部１５ｂからなり、上部１５ａと下部１５ｂのそれぞれに形成された空所に遊嵌された上部円板部１７ａと下部円板部１７ｂを中心部で連結ロッド１７ｃで連結してなる結合部材１７によって上部１５ａと下部１５ｂを相互に回転可能に連結してなるものである。上部の上端部の連結リング１８にはチェーン２０を介して図３のピン１２と類似の形状のピン２１が連結されており、このピン２１の両端部を図３のピンと同様の固定方法により混流ノズル１の管壁に固定する。また下部１５ｂの下端部の連結リング１９には複数のワイヤ１６が放射状に拡散するような形状で結び付けられている。

このノズル内壁洗浄手段１４の動作は図１の実施形態におけるノズル内壁洗浄手段１０と同様であり、混流ノズル１の使用状態において、混流が溶存酸素を多量に含むジェット流として管路６を流下すると、ノズル内壁洗浄手段１４を構成するワイヤ１６に混流が衝突し、混流の力によって各ワイヤを横方向または斜め方向に動かす。その結果ワイヤ１６が連結されたスウィベルの下部１５ｂおよびワイヤ１６が全体として１方向（時計方向か反時計方向のいずれか）に旋回するようにして運動する。実験の結果、この運動は単にワイヤ先端部（下端部）の旋回にとどまらず、ピン２１およびスウィベル１５の近傍部以外のワイヤ１６の大半部が旋回する運動であることがわかった。したがって、酸化物の堆積固化が生じやすい管路のほぼ全長にわたってワイヤ１６が管壁を摩擦するようにして管壁に接触し、酸化物の管壁への付着を防止する。その結果ジェット混流が流れている限り酸化物の管壁上の堆積固化が防止されることになる。

以上ノズル内壁洗浄手段としてねじれチェーンを使用する例および複数の放射状ワイヤを使用する例について説明したが、ノズル内壁洗浄手段は上記に限らず、空気取入れ口の下流側においてノズル管壁に固定され混流噴出口近傍に延長し、混流と衝突して該混流から受ける力によって旋回するようにノズル内を連続的に移動することによってノズル内壁に接触する部材であればどのような形状、材質の部材でも使用することができる。

図１の形状の混流ジェットノズルであって、全長８０３ｍｍ、管の外径が３４ｍｍ、送水管連結部２の端縁から空気取入れ口３までの流入部の長さ１７３ｍｍ、空気取入れ口３から管路５の終端縁までの混合部の長さが１５０ｍｍ、管路６の長さが４８０ｍｍ、小径部の内径１６ｍｍ、大径部の内径２６ｍｍのものを使用した。管路としては管路５、６、継手部７のすべてをステンレス鋼管で形成した。内壁洗浄手段として市販の鋼製のねじれチェーンを用いた。このチェーンの単位ねじれリングとして、リングを構成する鋼線の径１ｍｍ、リングの長径５．５ｍｍ、短径４．５ｍｍのものを用いた。このねじれチェーンを混流噴出口４から１０ｍｍ程度外部に露出するようにしてピンに通した。対照として上記と同一形状、寸法の混流ノズル内になんらのノズル内壁洗浄手段を設けないもの、すなわち従来使用されてきた混流ノズルを使用した。

本発明の実施例の混流ノズルと対照の混流ノズルに地下水を流速１０〜３５ｍ/秒で連続的に流し、両混流ノズルにおける酸化物の堆積固化の過程を観察した。その結果、対照のノズルにおいては、酸化物の堆積固化のために目詰まりを生じ、５５日経過後に空気取入れ口から水が噴出した。本発明の実施例のノズルにおいてはこの時点で酸化物の堆積は殆んど観察されず、３ヶ月経過後に実験を終了したが、この時点においても管内壁に酸化物の堆積は殆んど生じていなかった。しかも少量の堆積物は、固化した固い物ではなく、容易に水洗い出来る柔らかい粘土状の物だけであった。

なお、本発明の実施例において、混流の溶存酸素量は対照品と変わりなく、実験の開始時および終了時の溶存酸素量においても変化はなかった。これはノズル内壁洗浄手段を取り付けることにより溶存酸素量になんら影響はないことを意味するものである。

１ 混流ノズル
２ 送水管連結部
３ 空気取入れ口
４ 混流噴出口
１０、１４ ノズル内壁洗浄手段
１１ ねじれチェーン
１２ ピン
１５ スウィベル
１６ ワイヤ

Claims (6)

1. ノズルの一端部に送水管に連結される送水管連結部が形成され、該送水管連結部から下流側に空気取入れ口が形成され、ノズルの他端部には水と空気の混流をジェット流として噴出する混流噴出口が形成された混流ノズルにおいて、該空気取入れ口の下流側においてノズル管壁に固定され該混流噴出口近傍に延長し、前記混流と衝突し、該混流から受ける力によって旋回するようにノズル内を連続的に移動することによってノズル内壁に接触する部材からなるノズル内壁洗浄手段を備えることを特徴とする混流ノズル。
2. 該ノズル内壁洗浄手段はねじれチェーンであることを特徴とする請求項１記載の混流ノズル。
3. 該ねじれチェーンはその上端部に通されたピンによって該ノズル管壁の半径方向両側に固定されており、ノズルの半径方向中央部から垂下することを特徴とする請求項２記載の混流ノズル。
4. 該ピンはノズルの長手方向に上下１組が設けられていることを特徴とする請求項３記載の混流ノズル。
5. 該ノズル内壁洗浄手段はスウィベルに取り付けられた複数のワイヤであることを特徴とする請求項１記載の混流ノズル。
6. 該ノズルの内壁の径は下流側が上流側よりも大径であり、上流側の小径部から下流側の大径部への移行部分はその内径が漸次増加するように形成されていることを特徴とする請求項１記載の混流ノズル。

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