JP2013134077A - 降水降下物などの自動蒸発濃縮器 - Google Patents

Abstract

【課題】火災に対して安全で大量の降水降下物（試料水）の蒸発濃縮が行える降水降下物放射能測定などのための自動蒸発濃縮器を提供すること。
【解決手段】試料水送水バルブ１４を閉じ状態で、アスピレータ内蔵管１５の水流管１５ｃに水流を流すと、水流管１５ｃと水流排出管１５ｄを通じて内蔵管１５内と試料水フラスコ１０内が減圧となり、フラスコ１０内の試料水を容易に減圧蒸留することができ、しかもフラスコ１０内の試料水から留出した蒸気の少なくとも一部は水流管１５ｃの外壁面で凝縮し、得られた凝縮水及び凝縮しなかった蒸気は水流排出管１５ｄから容易に減圧系外に排出できるので、フラスコ１０内の試料水の蒸発濃縮が簡単に行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、降水降下物などの放射能測定のための自動蒸発濃縮器に関する。

東京電力（株）の原子力発電所の事故により放射能が大気中に放出され、降水降下物の放射能による地上の農作物、運動場などで汚染が検出され、社会の降水降下物の放射能への関心が一気に高まった。降水降下物の放射能測はこれまでも文部科学省標準測定マニュアルに基づき全国原子力センターや各地方の衛生研究所で実施されてきた。

前記マニュアルによる降水降下物の放射能測定法には、まず総量数十から百リットルの１ヶ月分の貯留降水降下物（以下試料水ということがある）を１００ミリリットルの計測容器に収まるように水分を蒸発させて濃縮することが記載されている。

しかし、この水分の蒸発濃縮操作は、赤熱ニクロム線ヒータなどの電熱器を使用するために火災予防上、監視が必要であり、職員の勤務時間内の昼間運転に限定されていた。このため降水降下物の蒸発濃縮操作に、例えば４基の電熱器を使用しても、通常２週間程度を要する作業であった。

また、大型ビーカなどを用いた蒸発操作で試料水を前記ビーカに手動で補給する必要があり、空焚きによるビーカの破損等のトラブルも生じやすく、また操作が煩雑なことが問題であるだけなく、多量の水分を加熱蒸発させるので、ドラフトチェンバーで作業を行うことで湿気を屋外に排出する必要があった。

従来技術では、比較的少量であると考えられる濃縮用の試料液を自動的に濃縮する自動濃縮器として、試料液を収納した既製品のロータリーエバポレータをセットした加熱水槽を用いて、減圧下に溶媒を留出させ、加熱水槽の重量の減少量に基づき試料液を連続供給し濃縮を自動的に行う器が、特開２０００−１８９７０６号公報、特開平５−２７３１９６号公報に開示されている。

また本発明者は本発明の先駆的な降水物放射能測定用の自動蒸発濃縮器の開発を行った（非特許文献１及び非特許文献２）。

特開２０００−１８９７０６号公報 特開平５−２７３１９６号公報 斎藤正明 加藤徳雄 「降水降下物放射能測定のための自動蒸発濃縮器の開発」 Radioisotopes、第５５巻 ４号、ｐｐ．１８９〜１９４（２００６） 斎藤正明 東京都立産業技術研究センター研究報告 「降水物放射能測定用のための自動蒸発濃縮器の開発」 第１号 第６２〜６５頁 ２００６年

上記文部科学省標準測定マニュアルに基づく降水降下物の放射能測定法は、大量の試料水を濃縮するために長時間に亘る単調な手動操作が必要であった。

上記特許文献１、２記載の自動試料液濃縮器は試料液の濃縮器の重量計測に基づく方法であり、減圧状態を達成するために外部に既製品のアスピレータを別途必要とし、複雑なシステムでありながら凝縮水を外部に直接排出する無限連続システムでなく、大量の降水降下物の蒸発濃縮には不向きであった。

また、非特許文献１、２記載の自動蒸発濃縮器では、ロータリーエバポレータに降水降下物集積タンクからチューブポンプを用いて試料水を供給する構成で気密性を完全にするのが容易でなく、また完全に自動化したシステムではなく、さらに市販の外部アスピレータを利用した構成であるので、全体のサイズも大きく、構造も既成概念を超えるものでなかった。

本発明の課題は、上記本発明者の自動蒸発濃縮器をさらに改良して、簡素な構造によって、安全で大量の降水降下物の蒸発濃縮が行える降水降下物放射能測定などの試料水の自動蒸発濃縮器を提供することである。

本発明は、上記の課題を解決するために次の構成を有する。
請求項１記載の発明は、降水降下物を含む試料水を溜めた試料水タンク（１）と、試料水タンク（１）から供給される試料水を減圧蒸留するための試料水容器（１０）と、試料水容器（１０）を加温する加温水槽（１１）と、試料水タンク（１）と試料水容器（１０）を接続する試料水送水バルブ（１４）を有する試料水送水配管（９）と、試料水容器（１０）の頂部に接続した水流により内部の閉鎖空間を減圧状態にするアスピレータ内蔵管（１５）と、試料水タンク（１）内の底部に配置され、試料水タンク（１）内の試料水の有無を検知する第１水検知センサ（Ｓ１）と、第１水検知センサ（Ｓ１）と電源との間に設けた全電流リレー（７）と、全電流リレー（７）を開閉制御する第１電気回路（Ａ）と、試料水容器（１０）内の所定位置に配置され、該試料水容器（１０）内に所定量の試料水があるかないかを検知する第２水検知センサ（Ｓ２）と、第２水検知センサ（Ｓ２）と電源との間に設けた試料水送水バルブ（１４）を開閉制御する第２電流回路（Ｂ）を備えていることを特徴とする降水降下物の蒸発濃縮器である。

請求項２記載の発明は、前記アスピレータ内蔵管（１５）が、アスピレータである水流管（１５ｃ）を内蔵し、水流管（１５ｃ）の下端部からの水流と凝縮水を全て受け取り、アスピレータ内蔵管の底部壁面を貫通して減圧系から常圧系への外部に排出する水流排出管（１５ｄ）と、アスピレータ内蔵管（１５）の頂部壁面を貫通してアスピレータ内蔵管（１５）の外部と内部に開口端部を有し、かつアスピレータ内蔵管（１５）の外部に気密開放バルブ（２０）を取り付けた気密開放管（１９）を備えていることを特徴とする請求項１記載の降水降下物の蒸発濃縮器である。

請求項１記載の発明によれば、試料水容器（１０）内の試料水がないか、又は試料水が減少して第２水検知センサ（Ｓ２）だけがオフになる場合には試料水送水バルブ（１４）が開き、アスピレータ内蔵管（１５）内と試料水容器（１０）内が減圧状態であることから試料水タンク（１）内の試料水が試料水送水配管（９）から試料水タンク（１）内に自動的に吸引される。

また、第２水検知センサ（Ｓ２）がオンになる量だけ試料水容器（１０）内に試料水があると、試料水送水バルブ（１４）が閉じ、さらに再び試料水容器（１０）内の試料水が減少して第２水検知センサ（Ｓ２）がオフになると、試料水送水バルブ（１４）が開き、減圧下の試料水容器（１０）内に試料水タンク（１）から試料水が供給される。

さらに、試料水タンク（１）内の試料水が減少して第１水検知センサ（Ｓ１）がオフになる場合には全電源リレー（７）がオフとなり、蒸発濃縮器全体が自動停止する。

また、何らかの原因で全電源又は全電源リレー（７）がオフとなると蒸発濃縮器全体が自動停止することで気密開放バルブ（２０）が開放され、アスピレータ内蔵管（１５）内の減圧状態が解除され、蒸発処理は試料水が試料水タンク（１）内又は試料水容器（１０）内に保全されたまま安全に停止される。

また、本発明のアスピレータ内蔵管（１５）は該アスピレータ内蔵管（１５）と試料水容器（１０）内を減圧状態とするために用いるアスピレータとして用いる水流管の水流をそのまま減圧蒸気を冷却凝縮させ、水流と共に常圧の外部に排出することに大きな特徴がある。

請求項２記載の発明によれば、アスピレータ内蔵管（１５）の底部壁面を貫通して外部に水流を排出する既製品のアスピレータ部品を用いることで、アスピレータ内蔵管（１５）内だけでなく試料水容器（１０）内が減圧となり、試料水容器（１０）内の試料水を容易に減圧蒸留することができ、しかも試料水容器（１０）内の試料水から留出した蒸気の少なくとも一部はアスピレータ内蔵管（１５）内の上部にある水流管（１５ｃ）の外壁面で凝縮し、得られた凝縮水及び凝縮しなかった蒸気は水流排出管（１５ｄ）内を通り、アスピレータ内蔵管（１５）から容易に外部に排出できるので、試料水容器（１０）内の試料水の蒸発濃縮が処理量無制限で簡単に行える。

請求項１記載の発明によれば、アスピレータ内蔵管（１５）による減圧作用で、１００℃以下の低温で水の高速蒸発が可能となる。

試料水容器（１０）内の試料水が蒸留により減少すると、試料水タンク（１）内の試料水が、試料水送水配管（９）を経由して試料水容器（１０）内に自動的に供給されるので、連続的に試料水の蒸発濃縮が行える。

全処理終了時に、試料水タンク（１）内の試料水が減少して第１水検知センサ（Ｓ１）がオフになる場合には全電源リレー（７）がオフとなり、蒸発濃縮器全体が自動停止し、また、何らかの原因で全電源又は全電源リレー（７）がオフとなると蒸発濃縮器全体が自動停止するので、多量の試料水の昼夜無人連続運転が可能であり、大幅に労力を省くことができる。その後、得られた濃縮水の放射能などを容易に測定することができる。

また、本発明は降水降下物に限らず、その他の多量な水溶液中に含まれていた濃縮物成分の分析が容易に行える。

本発明の一実施例の自動蒸発濃縮器のアスピレータ内蔵管部分を除く全体構成である。 図１の自動蒸発濃縮器の一実施例のアスピレータ内蔵管と試料水フラスコの詳細構成図である。

この発明の一実施例を図面に基づき説明する。
本実施例で示す電磁バルブの常開型、常閉型はオンオフの逆転駆動が他の電子回路により容易に達成可能であり、本実施例は常閉型を例にしたものの、動作が同様な結果となれば常閉型に限定されるものではない。また、水検知センサとして、水の導電率を検出した例を示したが、水面を検知する方式は光学的なもの、誘電的なもの、磁気的なもの、フロート接点など多様であり、同様に動作すれば、その方式は限定されない。さらに、電磁バルブ、磁気リレーの駆動回路においてもセンサ信号を駆動動作に変換することで同様な結果となれば済むので、本実施例で示したＦＥＴのみならず、トランジスタ、ＩＣなど限定されない。換言すれば本発明は水の検知、駆動回路及びアスピレータ部品について新規性を提示するものでなく、これら既存の部品を用いたシステム及びアスピレータを内蔵させた新規な蒸発器を示すものである。

なお、アスピレータによる減圧、吸引動作は、従来より広く使用され、原理や仕組みは既知であり、詳述しない。

図１に本実施例の降水降下物放射能測定のための自動蒸発濃縮器のアスピレータ内蔵管部分を除く全体構成を示す。

露天に配置された降水降下物の図示しない受け容器に溜めた１ヶ月分の降水降下物などを試料水タンク１に移し取る。なお、試料水タンク１が一つで足りない場合は複数の試料水タンク１をサイホンで繋ぐなどして試料水が増えても対応可能である。

試料水タンク１の底部には水の導電性に基づく一対の電極端子からなる第１水検知センサＳ１を配置する。該第１水検知センサＳ１は直流電気回路Ａのブリッジ回路２と電磁リレーのソレノイドコイル部３を経由して１００Ｖの交流電流が流れる一対の電線ａ、ｂの全電源リレー７に接続している。

また試料水タンク１内の降水降下物は試料水送水配管９を経由して試料水フラスコ１０に供給される。試料水フラスコ１０はウォーターバス１１内に浸漬されており、ウォーターバス１１内の水は水中に浸漬したヒータ１３で、一例として約６０℃に定温加熱されている。試料水フラスコ１０には図示しない回転器により全体が回転する、いわゆるロータリー式のエバポレータが蒸発器として適しており、ウォーターバス１１内に浸漬している。
また減圧蒸留用の試料水フラスコ１０は試料水の容量、作業性などに応じて、その大きさ、構成材料は適宜のものを使用可能であり、例えば金属製など試料水容器を用いることもできる。

試料水送水配管９には常閉型（「常開型」はソレノイドコイルに電流が流れるとオンになると「開く」バルブＮＣノーマリークロズ型で、「常閉型」はソレノイドコイルがオンになると「閉じる」バルブＮＯノーマリーオープンと考えて良い。）電磁式試料水送水バルブ１４が取り付けられており、該試料水送水バルブ１４より試料水フラスコ１０側の前記送水配管９はアスピレータ内蔵管１５内を貫通して試料水フラスコ１０に達する。アスピレータ内蔵管１５による減圧作用により試料水フラスコ１０内を減圧にすることができ、試料水送水バルブ１４が開いていると試料水タンク１内の試料水が減圧下の試料水フラスコ１０に向けて吸引され、ウォーターバス１１内で加温された試料水フラスコ１０の試料水がアスピレータ内蔵管１５による減圧作用及び加熱によって蒸発して濃縮する構成になっている。

また、試料水フラスコ１０内の所定位置には溶解成分を含む環境水の導電性を利用した一対の電極からなる第２水検知センサＳ２が配置されおり、該第２水検知センサＳ２はブリッジ回路１７を経由して試料水送水バルブ１４の開閉用ソレノイドコイル部１８を形成している。このブリッジ回路１７とソレノイドコイル部１８を備えた電気回路を電気回路Ｂと呼ぶことにする。

また図１の左上には、電線５、６間に１００ボルトの交流電流が流れる交流電気回路Ｃを示し、電線５、６間にはウォーターバス１１で用いられるヒータ１３と水流管１５ｃ（図２）内に供給する冷却水を水流とするためのアスピレータポンプ２２と気密開放管１９に設けた常開型気密開放バルブ２０を開閉作動させるソレノイドコイル部２３と前記水流管１５ｃ（図２）へ供給する冷却水供給配管２５に設けた常閉型冷却水送水バルブ２６を開閉作動させるソレノイドコイル部２７が配置されている。なお図１の交流電気回路Ｃと電気回路Ａ，Ｂは図示の通り、（ａ）、（ａ）同士、（ｂ）、（ｂ）同士、（ｃ）、（ｃ）同士、及び（ｄ）、（ｄ）同士がそれぞれ接続することを示す。

図２にアスピレータ内蔵管１５と試料水フラスコ１０の詳細構成図を示す。
試料水タンク１内から伸びた試料水送水配管９がアスピレータ内蔵管１５内部を貫通して試料水フラスコ１０内に達しており、アスピレータ内蔵管１５の頂部壁面を貫通して内部で鉛直方向に伸びた水流管１５ｃとアスピレータ内蔵管１５の底面下端部から外部に排出する水流排出管１５ｄが設けられている。水流管１５ｃには冷却水供給配管２５から水流が供給される。

アスピレータ内蔵管１５の頂部壁面を貫通してアスピレータ内蔵管１５の外部と内部に開口端部を有し、かつアスピレータ内蔵管１５の外部に常開型気密開放バブ部２０を取り付けた気密開放管１９を備えているアスピレータ内蔵管１５の水流管１５ｃに高速の水流が流れ込むことで、アスピレータ内蔵管１５と試料水フラスコ１０の内部空間は減圧状態となる。

一方、試料水フラスコ１０から留出した減圧状態の試料水蒸気の一部は、水流で冷却されている水流管１５ｃの外壁面上に凝縮する。このように水流管１５ｃは減圧蒸留時のコンデンサの機能も奏することになる。

本実施例では、アスピレータ内蔵管１５内の水流管１５ｃと水流管１５ｄの組合せにより、高速水流によるコンデンサ機能と減圧機能が同時に得られることが大きな特徴である。しかも図２に示す構成の場合は水流管１５ｃ内の高速水流がそのまま水流排出管１５ｄを経由してアスピレータ内蔵管１５から減圧系外に排出される。

上記構成からなる本実施例の自動蒸発濃縮器の作動を開始する際には、まず、試料水タンク１内に予め試料水が貯留されておき、電流回路Ａの第１水検知センサＳ１が作動し得る状態としておき、オペレータが手動で全電源リレー７の作動用電磁スイッチ（図示せず）を入れる。全電源がオンになることで全電源リレー７のオン状態が維持される。作動開始時は試料水フラスコ１０内には試料水がなく、第２水検知センサＳ２は導通しないため、試料水送水配管９の常閉型試料水送水バルブ１４は開いている。

全電源リレー７により電源が投入されると、ウォーターバス１１用のヒータ１３が加熱され、アスピレータポンプ２２も作動して水流管１５ｃ内に冷却水供給配管２５から高速水流を流し込むので、アスピレータ内蔵管１５と試料水フラスコ１０内が減圧状態となる。常開型気密開放バルブ２０もソレノイドコイル２３が作動するので閉じる。

そして試料水タンク１内の試料水が減圧下の試料水送水配管９とアスピレータ内蔵管１５を経由して試料水フラスコ１０に供給される。第１水検知センサＳ１が作動しなくなるまで、試料水フラスコ１０に試料水タンク１から試料水が吸引される。

試料水フラスコ１０内に流入する試料水が第２水検知センサＳ２の一対の電極端子まで溜まると、第２水検知センサＳ２の一対の電極間が導通して電気回路Ｂのソレノイドコイル１８が作動して常閉型試料水送水バルブ１４が閉じるので、試料水タンク１から試料水フラスコ１０への給水は停止し、フラスコ内は常に一定の水位に保たれる。

試料水フラスコ１０内の試料水が蒸発すると試料水送水配管９からアスピレータ内蔵管１５内に流入して、水流管１５ｃの外壁面で一部が凝縮して、水流管１５ｄから水流排出管１５ｄの内部に蒸気と共に入り込み、該水流排出管１５ｄ内を流れる水流と共にアスピレータ内蔵管１５の外部に排出する。

次に、試料水フラスコ１０内の試料水の蒸発により、所定量が留出して第２水検知センサＳ２の設置された位置以下にまで水位が低下すると、第２水検知センサＳ２がオフとなり、試料水送水バルブ１４が開く。このとき試料水フラスコ１０内は減圧状態であるので試料水タンク１からの試料水が試料水送水配管９を経由して再び試料水フラスコ１０内に供給される。試料水フラスコ１０内で規定量の試料水が再び貯まると、第２水検知センサＳ２が再作動して試料水送水バルブ１４が閉じて試料水タンク１から試料水フラスコ１０への試料水の供給が自動的に停止する。この操作が試料水タンク１の試料水が無くなるまで自動的に繰り返される。

また、試料水タンク１内に試料水がある間は試料水タンク１内の第１水検知センサＳ１が作動しているので電流回路Ｃが作動している限り、ウォーターバスヒータ１３と水流形成用のアスピレータポンプ２２が作動し、ソレノイドコイル部２３、２７が作動し、常開型気密開放バルブ２０が閉じ、常閉型冷却水送水バルブ２６が開き、アスピレータ内蔵管１５内の水流管１５ｃに前記冷却水供給配管２５から高速水流が供給される。

試料水タンク１内の試料水が全て試料水フラスコ１０に送り出されて正常に試料水の蒸発濃縮が終了する場合に、電流回路Ａのソレノイドコイル部３に電流が流れないので全電源リレー７が切られる。

全電源が切られ、電気回路Ｃの電流が遮断することで、ウォーターバス１１のヒータ１３とアスピレータポンプ２２が非作動となり、常閉型冷却水送水バルブ２６が閉じ、ソレノイドコイル部２３がオフとなって水流が停止する。さらにソレノイドコイル部２３がオフとなって常開気密開放バルブ２０が開き、アスピレータ内蔵管１５内が常圧に戻り、試料水フラスコ１０内の減圧状態が解除される。このように全電源リレー７が切られると、自動蒸発濃縮器は手動操作の外に自動的に作動を再開することがない。
また、停電時など異常終了時にも全電源リレー７が切られる。

このように本実施例の自動蒸発濃縮器は１００リットルを超える大量の試料水でも、長時間に亘って連続的に安全に、かつ自動的に作動及び停止が行える。また、該濃縮器の規模を大きくすることで、その処理能力を常識的な範囲内でいくらでも高めることができる。

特に試料水として放射能で汚染された雨水などを自動的に連続蒸発濃縮可能となるので、放射能測定を迅速に行うことができる。

本発明は、従来手間の掛っていたマニュアル操作による降水降下物の自動蒸発濃縮が可能となるので利用可能性が高い。

１ 試料水タンク
２、１７ ブリッジ回路
３、１８、２３、２７ ソレノイドコイル部
５、６ 電線
７ 全電源リレー
９ 試料水送水配管
１０ 試料水フラスコ
１１ ウォーターバス
１３ ヒータ
１４ 常閉型試料水送水バルブ
１５ アスピレータ内蔵管
１５ｃ 水流管
１５ｄ 水流排出管
１９ 気密開放管
２０ 常開型気密開放バルブ
２６ 常閉型冷却水送水バルブ
２２ アスピレータポンプ
２５ 冷却水供給配管
Ｓ１ 第１水検知センサ
Ｓ２ 第２水検知センサ
Ａ、Ｂ、Ｃ 電気回路

Claims (2)

1. 降水降下物を含む試料水を溜めた試料水タンクと、
   試料水タンクから供給される試料水を減圧蒸留するための試料水容器と、
   試料水容器を加温する加温水槽と、
   試料水タンクと試料水容器を接続する試料水送水バルブを有する試料水送水配管と、
   試料水容器の頂部に接続した水流により内部の閉鎖空間を減圧状態にするアスピレータ内蔵管と、
   試料水タンク内の底部に配置され、試料水タンク内の試料水の有無を検知する第１水検知センサと、
   第１水検知センサと電源との間に設けた全電流リレーと、
   全電流リレーを開閉制御する第１電気回路と、
   試料水容器内の所定位置に配置され、試料水タンク内に所定量の試料水があるかないかを検知する第２水検知センサと、
   第２水検知センサと電源との間に設けた試料水送水バルブを開閉制御する第２電流回路を備えていることを特徴とする降水降下物の蒸発濃縮器。
2. 前記アスピレータ内蔵管は、アスピレータである水流管を内蔵し、水流管の下端部からの水流と凝縮水を全て受け取り、アスピレータ内蔵管の底部壁面を貫通して減圧系から常圧系への外部に排出する水流排出管と、アスピレータ内蔵管の頂部壁面を貫通してアスピレータ内蔵管の外部と内部に開口端部を有し、かつアスピレータ内蔵管の外部に気密開放バルブを取り付けた気密開放管を備えていることを特徴とする請求項１記載の降水降下物の蒸発濃縮器。

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