JP3341137B2 - 水循環系の腐食防止方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、大気に開放された水槽
内の水を配管を経て再び水槽に循環させる方式の水循環
系において、金属配管、機器等の腐食を防止するための
腐食防止方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水循環系においては、水中に溶存
する酸素により金属配管、ポンプ、その他機器が腐食し
てしまうという問題があり、その腐食防止対策として
は、主として防錆剤の投入や電気防食等による方法が行
われている。しかし、防錆剤を投入する方法において
は、防錆剤があらゆる金属にも高い防錆効果を発揮する
ものがない現状で、多種の金属配管や機器で構成されて
いる水循環系においては、その選択が難しく、また防錆
剤の消耗による濃度管理が難しく、高いランニングコス
トをかけた割にその効果は小さいという問題を有してい
る。また、電気防食による方法は、水循環系の全てを有
効にカバーしようとすると、多数の電極の分散設置が必
要となり、イニシャルコストが極めて高くなり、また、
常に水循環系全体で高い効果を得るには、配管内や機器
内に分散設置した電極の維持管理が必要となるため、結
果としてこれも高いランニングコストがかかるという問
題を有している。

【０００３】そこで、配管内に循環水を供給する時点
で、真空脱気法により溶存酸素を除去する方法や、溶存
酸素を窒素で置換する方法により、腐食を防止する技術
が知られている（空気調和・衛生工学、第６７巻第１０
号、第７７３頁〜第７８１頁「設備配管における脱気防
食法の適用」参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記真
空脱気法においては、装置コストが増大するとともに、
送水運転中に常に真空ポンプの運転が必要になるという
問題を有し、また、窒素置換方法においては、多量の窒
素ガスを必要とするためコストが増大するという問題を
有している。さらにいずれの場合にも、水槽内の水を蓄
熱し蓄熱した水を冷暖房用に循環させる蓄熱式空調装置
のように、水槽が大気に開放され、水面に常時、波立ち
が生じる水循環系においては、脱気または置換後の水が
大気中の酸素を溶解しようと作用するため、脱気または
置換で低い溶存酸素飽和度を得てもこれを保持すること
が極めて困難であるという問題を有している。

【０００５】本発明は、上記従来の問題を解決するもの
であって、大気に開放された水槽内の水を配管を経て再
び水槽に循環させる方式の水循環系において、簡単な方
法および装置で且つ低コストで溶存酸素量を腐食影響が
なくなるレベルまで低下させることができる腐食防止方
法および装置を提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのために本発明の水循
環系の腐食防止方法は、大気に開放された水槽内の水を
配管を経て再び水槽に循環させる方式の水循環系におい
て、前記水槽内の水を窒素置換ポンプにより循環させる
と共に、前記ポンプの吸い込み側に窒素ガスを供給し、
前記ポンプによる攪拌加圧により水中の溶存酸素を窒素
ガスに置換することを特徴とし、また、本発明の水循環
系の腐食防止装置は、大気に開放された水槽内の水を配
管を経て再び水槽に循環させる方式の水循環系におい
て、前記水槽内の水を循環させる窒素置換ポンプと、前
記ポンプの吸い込み側に供給される窒素ガス供給装置
と、前記水槽の水面を覆うように浮遊させた多数の鍔付
浮き球とを備えたことを特徴とするものである。

【０００７】

【作用および発明の効果】従来から水中に窒素ガスの微
細気泡を多量に吹き込むと水中に溶存している酸素の一
部が窒素に置換されることが知られているが、この方法
は置換効率が悪く長時間吹き込んでも溶存酸素による腐
食の影響がなくなる量を０．５ｐｐｍ以下にすることが
できなかった。本発明においては、ポンプによる攪拌加
圧により水中の溶存酸素を窒素ガスに置換し、比較的少
量の窒素ガスで短時間に溶存酸素量を腐食の影響がなく
なるレベルまで低下させることができる。

【０００８】また、鍔付浮き球自体と鍔付浮き球の下面
に滞留される余剰窒素ガスの作用により、水槽水面の大
気遮蔽を行うため、酸素の溶解を防止することができ、
溶存酸素量を低レベルに維持することができる。

【０００９】さらに、本発明を蓄熱式空調装置に適用し
た場合には、鍔付浮き球自体と鍔付浮き球の下面に滞留
される余剰窒素ガスの作用により、水槽内の循環水の断
熱性能が向上される。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。図１は本発明の水循環系の腐食防止方法および
装置の１実施例を示す全体構成図である。なお、本実施
例は、本発明を蓄熱式空調装置に適用したものである
が、本発明はこれに限定されるものではなく、大気に開
放された水槽内の水を配管を経て再び水槽に循環させる
方式の全ての水循環系への適用が可能である。

【００１１】図１において、蓄熱槽を形成する水槽１
は、例えば建物の地下に構築され、内部に熱媒用の循環
水２が貯留される。水槽１内の循環水２は、配管３、４
および熱源側ポンプ５により熱源装置６に循環される。
熱源装置６は周知のヒートポンプ装置または冷凍機とボ
イラーを組み合わせた装置であり、循環水２を冷却また
は加熱する。冷却または加熱された循環水２は、配管
７、８および利用側ポンプ９により空調機１０に循環さ
れる。空調機１０は熱交換器であり、循環水２と熱交換
された冷温水を建物の負荷側に供給するように構成され
ている。

【００１２】そして、水槽１には窒素置換装置１１が接
続される。窒素置換装置１１は、配管１２、１３を介し
て接続される窒素置換用ポンプ１４と、窒素置換用ポン
プ１４の吸い込み側に窒素ガスを供給する減圧弁１５お
よび窒素ガスボンベ１６からなる窒素ガス供給装置とか
ら構成されている。なお、窒素ガスボンベ１６に充填さ
れる窒素は、純粋窒素である必要はなく、窒素ガス分離
フィルタで製造した窒素ガスでもよい。

【００１３】その作用について説明する。窒素置換用ポ
ンプ１４を運転し循環水２を循環させるとき、窒素ガス
供給装置１６、１５から窒素ガスをポンプの運転に大き
な支障をきたさない程度にポンプ吸い込み側に供給する
と、水はポンプでかき混ぜられると共にポンプの羽で加
圧されるために、気体飽和量を増大させる側に作用し、
周囲が細かな窒素ガス粒子で満たされていると、この加
圧攪拌作用により酸素が窒素に入れ替わる。より効果を
高めるために、図示されていないが、ポンプ吸い込み口
にベンチュリー管を設け、吸い込み窒素ガスを微粒化し
てポンプに吸い込ませるようにしてもよい。このように
して、水槽１内の循環水２は、しだいに酸素が窒素に置
換され溶存酸素の割合を低下させた状態となる。脱気さ
れた酸素および余剰の窒素ガスは水槽１の水面から大気
中に放出される。

【００１４】しかし、水は窒素より酸素の方が溶存し易
い特徴を有するため、弱いながらも窒素に置換された水
は、大気と接触すると溶存窒素が酸素に再置換する方向
に作用する。そこで、この大気中の酸素の再置換を防止
し、また、窒素置換中の余剰窒素ガスを水面下で保持す
るために、本発明においては、水槽１内の循環水２の水
面上に多数の鍔付浮き球１７を浮遊させ、水面を隙間な
く覆うようにして大気と遮蔽する構成を採用している。

【００１５】図２および図３は、本発明における鍔付浮
き球の実施例を示し、図２（Ａ）は鍔付浮き球の断面
図、図２（Ｂ）は鍔付浮き球の平面図、図２（Ｃ）およ
び図２（Ｄ）は鍔付浮き球を水面に投入したときの作用
を説明するための断面図、図３は水槽の水面を複数の鍔
付浮き球で覆った状態を示す平面図である。

【００１６】図２（Ａ）および図２（Ｂ）において、鍔
付浮き球１７は、円板状の薄板２０と、薄板２０の上下
に設けられ、薄板２０より小径で内部が空洞に形成され
た上部半球２１および下部半球２２と、薄板１７の外周
に形成された鍔部２３と、薄板２０の下部半球２２側に
遊動自在に内蔵された重り２４と、下部半球２２の底部
に形成された注水孔２５と、下部半球２２の上部に形成
された空気抜孔２６とから構成されている。なお、薄板
２０、上部半球２１および下部半球２２の形状は、それ
ぞれ円、球に限定されるものではなく、これに近似した
種々の形状が採用可能である。

【００１７】薄板２０、上部半球２１および下部半球２
２は、酸素バリアー性のある樹脂から製造される。鍔付
浮き球１７の好ましい実施例としては、薄板２０として
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）板を用い、上部
半球２１および下部半球２２としてＰＥＴを発泡させた
樹脂を用い、上部半球２１および下部半球２２を薄板２
０に熱溶着して製造する。ＰＥＴ板からなる薄板２０の
比重は１より大いため、上部半球２１および下部半球２
２の比重は１より小さく、また、重り２４の比重を１よ
り小さくし、単体では水没する薄板２０を水面上に浮く
ように調整する。

【００１８】酸素バリアー性のある鍔付浮き球１７は、
下記に例示するような酸素バリアー性のある樹脂を使用
して製造するか、またそれ以外の樹脂を使用した場合に
は、前記の酸素バリアー性のある樹脂を積層することに
よって製造することができる。酸素バリアー性のある樹
脂としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレ
ンテレフタレート、ポリエステル、ポリ塩化ビニリデ
ン、ポリアクリロニトリル、変性ポリアミド、ビニルア
ルコール等が挙げられるが、特に強靱性、耐久性の面か
らポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタ
レートが好ましい。

【００１９】また、鍔付浮き球を構成する材料として
は、上記の酸素バリアー性のある樹脂に加えて、これら
を発泡させたものや、ポリスチレン、ポリプロピレン、
ポリエチレン、もしくはこれらの発泡させたものに上記
の酸素バリアー性のある樹脂を積層し、組み合わせるこ
とで、円板状の薄板、薄板の上下に設けられた内部が空
洞に形成された上部半球および下部半球、薄板の外周に
形成された鍔部として、任意に比重調整して使用するこ
とができる。

【００２０】鍔付浮き球１７は、蓄熱槽１内へ循環水を
注水した後に図示しないマンホールから投入する。この
とき、下部半球２２が下側になり下部半球２２内に循環
水２が浸水し薄板２０が水平になるように位置すること
が重要で、これにより水面の波で薄板２０が揺動して鍔
付浮き球１７間に隙間が生じ、遮蔽性能が低下するのを
防止している。そのために、重り２４は鍔付浮き球１７
の上下位置が正しくなるようにする機能を果たしてい
る。すなわち、図２（Ｃ）に示すように、下部半球２２
が上側になった状態で水面に落ちた場合、重り２４が下
部半球２２内を転がって移動するため、図示矢印に示す
如く、下部半球２２が下側に位置するように回転し、そ
の後、図２（Ｄ）に示すように、下部半球２２内には、
注水孔２５と空気抜孔２６の作用により循環水２が浸水
することになる。

【００２１】図３に示すように、投入された鍔付浮き球
１７は、その鍔部２０が等寸法のため互いに重なり合っ
て隙間なく水面を覆い、また、鍔付浮き球１７の下面に
は余剰窒素ガスが滞留されるため、大気との遮蔽が確実
に行われ、酸素の再置換を防止し、溶存酸素を低レベル
に維持することが可能となる。しかし、鍔付浮き球１７
と水槽１の壁や配管３、４との間、および鍔付浮き球１
７間には、僅かな隙間が生じる。この僅かな隙間を埋め
て大気との遮蔽性能をさらに向上させるために、本発明
の他の実施例においては、浮きチップ１８を浮遊させる
ようにしている。浮きチップ１８は、酸素バリアー性の
ある樹脂好ましくは前記ＰＥＴを発泡させた樹脂で製造
する。

【００２２】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は、浮きチップ１
８の種々の形状を示し、それぞれ上図は平面図、下図は
側面図を示している。板状、球状、角状等、種々の形状
が採用されるが、板状の場合にはチップ１８同士または
鍔付浮き球１７の薄板２０と水の表面張力で付着しない
ように、球面化した形状が採用される。

【００２３】なお、本発明を蓄熱式空調装置に適用する
場合、窒素置換後に補給水等で混入が予想される混入酸
素を管理値以下に抑えて維持するための補強は、余剰窒
素ガスが配管内に流入して管内流速を阻害しないよう
に、余剰窒素を鍔付浮き球１７の薄板２０下部に蓄積で
きる蓄熱時間帯に行うことが好ましい。

【００２４】次に、図５〜図７により本発明による窒素
置換効果について説明する。図５および図６は、比較例
による実験を示し、それぞれ図（Ａ）は実験装置の概略
図、図（Ｂ）は実験結果を示す図である。

【００２５】図５の比較例における実験は、縦８００ｍ
ｍ、横１８００ｍ、高さ６００ｍｍの水槽３１を用い、
水槽３１内の水を循環ポンプ３２によりディストリビュ
ータ３３から循環させるとともに、水槽３１底面とディ
ストリビュータ３３内に合計５本のエアーカーテン部材
３４を設置し、エアーカーテン部材３４より窒素の気泡
を放出するエアカーテン方式を採用し、鍔付浮き球は投
入しなかった。初期の水温は２５．６℃、溶存酸素量は
６．６ｐｐｍ、窒素ガス放出条件は２０リットル／ｍｉ
ｎ、０．５ｋｇｆ／ｃｍ² （ゲージ圧）であった。本方
法によれば溶存酸素量は２．５ｐｐｍまでしか低下しな
かった。なお、Ｘ点で窒素ガスの供給を停止している。

【００２６】図６の比較例における実験は、水槽３１内
に水中ポンプ３５を別に設置し、水中ポンプ３５の吐出
側にベンチュリー管３６を取り付け、ベンチュリー管部
に窒素ガスを供給して微細気泡を放出する方式とディス
トリビュータ３３によるエアカーテン方式を併用し、鍔
付浮き球を投入した。初期の水温は２５．０℃、溶存酸
素量は５．８ｐｐｍ、窒素ガス放出条件は１０リットル
／ｍｉｎ、０．８ｋｇｆ／ｃｍ² （ゲージ圧）であっ
た。本方法によれば図５の比較例より溶存酸素量を低減
させることはできたが０．６ｐｐｍまでしか低下せず、
腐食の影響がなくなる０．５ｐｐｍ以下にすることはで
きなかった。なお、Ｘ点で窒素ガスの供給を停止し、Ｙ
点で窒素ガスの供給を再開している。

【００２７】図７は、本発明における実験を示し、図７
（Ａ）は実験装置の概略図、図７（Ｂ）は実験結果を示
す図である。本実験は、循環ポンプ３２のサクション側
へ窒素ガスを供給する窒素強制加圧攪拌方式のみを採用
し、鍔付浮き球を投入した。初期の水温は２０．７℃、
溶存酸素量は６．０ｐｐｍ、窒素ガス放出条件は５リッ
トル／ｍｉｎ、０．２ｋｇｆ／ｃｍ²（ゲージ圧）であ
った。図７（Ｂ）に示すように、比較的少量の窒素ガス
で、かつ５時間という短時間で、溶存酸素量を腐食の影
響がなくなる０．５ｐｐｍ以下にすることができた。ま
た、Ｘ点（６時間後）で窒素ガスの供給停止後４８時間
後に溶存酸素量が０．０ｐｐｍになり、その後、１４０
時間経過後まで０．５ｐｐｍ以下のレベルに維持するこ
とができ、このことは、窒素の置換運転を常時行う必要
がなく、間欠運転で腐食の影響がなくなるレベルを維持
することができることが判った。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水循環系の腐食防止方法および装置の
１実施例を示す全体構成図である。

【図２】本発明における鍔付浮き球の実施例を示し、図
２（Ａ）は鍔付浮き球の断面図、図２（Ｂ）は鍔付浮き
球の平面図、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）は鍔付浮き球
を水面に投入したときの作用を説明するための断面図で
ある。

【図３】水槽の水面を複数の鍔付浮き球で覆った状態を
示す平面図である。

【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）は本発明の実施例にお
ける浮きチップの種々の形状を示し、それぞれ上図は平
面図、下図は側面図を示している。

【図５】比較例による実験を示し、図５（Ａ）は実験装
置の概略図、図５（Ｂ）は実験結果を示す図である。

【図６】比較例における実験を示し、図５（Ａ）は実験
装置の概略図、図５（Ｂ）は実験結果を示す図である。

【図７】本発明における実験を示し、図７（Ａ）は実験
装置の概略図、図７（Ｂ）は実験結果を示す図である。

【符号の説明】

１…水槽、２…循環水、３、４、７、８、１２、１３…
配管 ５…熱源側ポンプ、６…熱源装置、９…利用側ポンプ、
１０…空調機 １１…窒素置換装置、１２…窒素置換用ポンプ、１５…
減圧弁 １６…窒素ガスボンベ、１７…鍔付浮き球、１８…浮き
チップ ２０…薄板、２１…上部半球、２２…下部半球、２３…
鍔部、２４…重り ２５…注水孔、２６…空気抜孔

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−2894（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23F 15/00 F24F 5/00 102

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】大気に開放された水槽内の水を配管を経て
   再び水槽に循環させる方式の水循環系において、前記水
   槽内の水を窒素置換ポンプにより循環させると共に、前
   記ポンプの吸い込み側に窒素ガスを供給し、前記ポンプ
   による攪拌加圧により水中の溶存酸素を窒素ガスに置換
   することを特徴とする水循環系の腐食防止方法。
2. 【請求項２】大気に開放された水槽内の水を配管を経て
   再び水槽に循環させる方式の水循環系において、前記水
   槽内の水を循環させる窒素置換ポンプと、前記ポンプの
   吸い込み側に供給される窒素ガス供給装置と、前記水槽
   の水面を覆うように浮遊させた多数の鍔付浮き球とを備
   えたことを特徴とする水循環系の腐食防止装置。
3. 【請求項３】前記鍔付浮き球は、酸素バリアー性のある
   樹脂からなる円板状の薄板と、該薄板の上下に設けられ
   内部が空洞に形成された上部半球および下部半球と、前
   記薄板の外周に形成された鍔部と、前記下部半球側に遊
   動自在に内蔵された重りと、前記下部半球の底部に形成
   された注水孔と、前記下部半球の上部に形成された空気
   抜孔とを備えたことを特徴とする請求項２記載の水循環
   系の腐食防止装置。
4. 【請求項４】前記水槽水面に多数の酸素バリアー性のあ
   る浮きチップを浮遊させたことを特徴とする請求項２記
   載の水循環系の腐食防止装置。
5. 【請求項５】前記水循環系が、水槽内の水を蓄熱し蓄熱
   した水を冷暖房用に循環させる方式の蓄熱式空調装置で
   あることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれ
   かに記載の水循環系の腐食防止装置。