JP3556980B2 - 真空発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は真空下水本管装置用の真空発生装置に関し、そして特にこのような下水本管装置における真空ポンプとしてのエゼクタの使用に関する。
【０００２】
【従来技術と発明が解決しようとする課題】
エゼクタは真空下水本管装置において部分真空源として長い間使用されてきた。このような装置は米国特許第４０３４４２１号明細書に示されている。この既知の技術によれば、エゼクタの作動媒体は循環ポンプにより下水収集容器からエゼクタに供給される液体の流れである。このエゼクタの吸込側は逆止弁を介して真空下水本管と接続されており、それにより下水本管に送り出された下水汚物がエゼクタを通して収集容器にひき込まれるようになっている。このような真空発生装置の総合的な効率は約５％である。これは循環ポンプの効率が約４０％であり、そしてその有効な動力の約１０％ないし１５％のみを循環ポンプにより動力が供給されるエゼクタに利用することができるからである。しかしながら、この真空発生装置の効率の改良は、通常、本質的に極めて重要ではない。
【０００３】
空気ポンプとして作動する液体で駆動されるエゼクタの総合的な効率を改良することは広範囲な研究の主題であった。それにもかかわらず、本発明の目的はエゼクタの効率を改良することではない。本発明は真空下水本管装置用の真空発生装置としてのエゼクタの特殊の用途においては十分に高い真空レベルにおいてエゼクタの中に吸い込まれる空気の流量を最大化することがより重要であるという概念に基づいている。（より高い真空＝より低い絶対圧力）本発明による真空発生装置においては、エゼクタは下水を容器の中に直接に（例えば、大気圧において）放出する。これらの状況の下では、エゼクタからの全体の流れ（ｍａｓｓｆｌｏｗ）の圧力および運動のエネルギが全く利用されておらず、これがエゼクタの機能の最適化することに決定的な影響をおよぼしている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の一つの目的は真空下水本管装置のための代表的な作動環境において請求項１の序文によるエゼクタを使用して真空発生装置の機能を最適化することにある。このエゼクタにより十分に高い真空を発生させ、それと同時にエゼクタを通しての空気の容積流量を最大化することが重要である。真空下水本管装置における代表的な真空レベルは大気圧の約半分であるが、しかし種々の用途においてはこの真空レベルからのかなりの変動が発生する。
【０００５】
本発明を構成する要件は請求項１に記載されている。エゼクタに伝統的に使用されている（流れの方向において吐出管の円錐形に拡大する端部を構成する）ディフューザは必要でなく、従って本発明による真空発生装置においては、エゼクタの吐出管の内腔は全体を通じて実質的に円筒形である。吐出管の長さは内腔の直径の８倍ないし２０倍、好ましくは１０倍ないし１５倍とすべきである。また、エゼクタが下水を収集容器の開放された内部の中に直接に放出し、すなわち、収集容器と接続された管の中に放出しないことが肝要である。その理由はこのような管がエゼクタの機能に悪影響をおよぼす程度に十分に細いからである。上記のように構成されたエゼクタを使用する真空発生装置が対応した伝統的なエゼクタに基づいた真空発生装置よりも真空下水本管装置の作動環境においてかなり良好に作動することが判明した。また、ある用途においては、本発明による装置における２基のエゼクタが５基の伝統的なエゼクタに基づいた真空発生装置と同じ機能をはたすことが判明した。これは本発明による真空発生装置に使用されているエゼクタの理論的な効率が既知のエゼクタの効率よりもおそらくは劣っているという事実にもかかわらずである。
【０００６】
本発明を適用するときに、循環ポンプによりエゼクタのちょうど上流側に発生する圧力が少なくとも１．５バール（ゲージ圧）であり、好ましくは少なくとも１．９バール（ゲージ圧）であると有利である。このような高い供給圧力を使用することにより、エゼクタの空気を排出するポンプ能力およびエゼクタを通しての作動媒体の流量が増大する。従って、循環ポンプからエゼクタへの作動媒体の流量を毎時少なくとも９０ｍ^３ 、好ましくは、毎時約１００ｍ^３ またはそれ以上とすることが推奨される。
【０００７】
エゼクタにおいて十分に高いポンプ能力を得るためには、エゼクタの吐出管の内腔の横断面積をエゼクタの吸込室内に所用の真空を発生させるために作動媒体の流れが通過するエゼクタのノズルの最小の開口部の面積の少なくとも２．２倍、好ましくは、少なくとも２．５倍とすると有利である。これらの値はエゼクタに使用される作動媒体の圧力および流量に対する上記の値と組み合わせると特に有利である。上記の比率はエゼクタにより十分に高い真空を発生することができない程に高くすべきではない。好適な最大値は通常約３ないし３．５である。
【０００８】
エゼクタのポンプ能力は、また、エゼクタの吸込室に対して真空下水本管の端部の傾斜した連結部を使用することにより有利な影響をうける。エゼクタの長手方向の軸線に対する下水本管の角度は望ましくは４５°±２０°であり、好ましくは４５°±１０°である。慣用のエゼクタにおいては、問題の角度は９０°であるが、しかし、エゼクタを通して吸い込まれる物質の流れの角度の変化を減らすように傾斜した連結部がかなりより有利であることが判明した。
【０００９】
本発明による真空発生装置が異なる真空下水本管装置において異なる作動状況下で作動しなければならないかもしれないので、エゼクタがいかなる用途においてもその最適の性能において、またはそれに近い性能において作動するようにエゼクタの特性を調節することができることが望ましい。望ましい真空レベル、ポンプで排出される空気および下水の量は異なる用途においてかなり変動することがありうる。コスト上の理由から、循環ポンプが比較的に小さいことが望ましい。循環ポンプは所望されたエゼクタ能力が得られるように選択されるべきである。エゼクタは選択された循環ポンプにより発生した流量および圧力に適合されなければならない。エゼクタの特性を簡単な調節装置により調節することができないので、エゼクタはそのノズルおよび吐出部分をエゼクタのその他の構造体に取外し可能に取付けできるようにし、それによりその他の部分に対してノズルおよび吐出部分を交換することによりエゼクタの特性を必要に応じて変更することができるように考案されることが好ましい。
【００１０】
循環ポンプは二つの目的のために使用することができる。第一に、循環ポンプはエゼクタのエネルギ源として作動するが、しかし下水収集容器は時々空にしなければなれない。もしも循環ポンプの出力が十分に高ければ、循環ポンプが同時にエゼクタに動力を供給しているときですらも、収集容器を空にすることができる。もしも循環ポンプの出力が過度に低ければ、循環ポンプからエゼクタへの作動媒体の流れを遮断することにより、収集容器を空にする段階の間に、エゼクタを休止させなければならない。好ましい一実施例においては、このような遮断装置は必要ではなく、そのかわりに循環ポンプは、エゼクタが運転中であるときですらも循環する液体の一部分をポンプのレベルよりも上方少なくとも１０メートル、好ましくは、少なくとも１５メートルである高さまで揚げることができるように十分に強力である。これにより、本発明を船の真空下水装置に適用した場合に、その船が港内にある間にエゼクタの機能を遮断することなく収集容器を空にすることが可能である。
【００１１】
エゼクタは、通常、連続して作動させない。エゼクタの機能は真空下水本管ネットワーク内に存在する真空レベルにより左右される。真空下水本管ネットワーク内の圧力は該ネットワークと接続された水洗便器またはその他の装置が空になるときに必ず上昇する。真空下水本管ネットワーク内の圧力がある制限レベルを超えて上昇するときに、エゼクタを自動的に起動させることができ、下水本管ネットワークが適切な真空レベルに再び達するまで作動させることができる。収集容器は大気圧に連続して維持される。
【００１２】
従来技術によるエゼクタの吐出管に慣用のディフューザは本発明による真空発生装置のエゼクタに使用されるべきではない。これはエゼクタからの全体の流れ（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ）が収集容器の内部の中に自由に放出されるからである。もしもエゼクタの放出領域内に隣接した障害物、例えば、収集容器の壁部が存在すれば、もしも特に吐出管の出口端部と障害物との間の距離が小さければ、これはエゼクタの機能に好ましくない影響をおよぼすことがある。それゆえに、吐出管の端部とその前方の最も近い障害物との間の間隙を少なくとも０．５メートルとし、好ましくは少なくとも１．５メートルとすることが推奨される。また、エゼクタの放出領域において横方向に（例えば、吐出管に対して半径方向に）妨害する構造物が無いことが肝要である。横方向の間隙については、最小の望ましい自由な領域はかなり小さく、吐出管の長手方向から測定されたときに、通常、吐出管の直径の僅かに１．５倍、好ましくは２倍である。
【００１３】
通常の下水中に存在する固形物、半固形物、繊維物質およびゴム物質（例えば、コンドーム）により問題が発生することがある。これらの物質を粉砕するために、真空下水本管装置に組み込まれた粉砕装置を使用することが知られている。しかしながら、真空下水本管ネットワークに粉砕装置を使用することにより収集容器への下水の移送速度が不利な態様で低減されることが判明した。それゆえに、本発明による真空発生装置においては、粉砕装置が下水本管ネットワークそれ自体内に使用されず、そのかわりに循環ポンプの循環通路内に、好ましくは循環ポンプのちょうど上流側に配置される。この位置における粉砕装置は下水本管ネットワーク内の流れを妨害せず、そしてそれと同時にエゼクタの作動状態およびその作動媒体の均質性をかなり改良する。この装置により、粉砕装置が真空発生装置全体の作動能力に好ましい影響をおよぼす。この粉砕装置は、循環ポンプの駆動モータが粉砕装置および循環ポンプの両方を直接に駆動するように、循環ポンプとそれ自体が知られているように一体に構成することができる。
【００１４】
本発明による真空発生装置の下水本管内には、通常、粉砕装置が設けられていないので、特に固形物に対する液体の比率が低いときに、下水中の固形物および半固形物がエゼクタの詰まりをひき起こすことがある。通常、この詰まりはめったに起きないが、安全確保を改良するために、エゼクタのハウジング内に、または真空下水管ネットワークがエゼクタと連結された箇所に、開放可能なカバーを備えた検査開口部が設けられており、検査開口部を通してエゼクタの機能を妨害するいかなる物質をも必要なときに除去することができる。
【００１５】
【実施例】
さて、本発明の一実施例を添付図面を参照してさらに詳細に説明する。
図１において、符号１は真空下水本管ネットワーク２と接続された水洗便所の便器を示す。この下水本管ネットワークにおいては、大気圧の約５０％の部分真空がエゼクタ３により発生せしめられる。水洗便器１の数は１個のエゼクタ３について１００個までとするか、またはそれ以上とすることができる。各々の水洗便器１に極めて近接して、常時閉ざされている下水弁１ａが設けられている。下水弁１ａは水洗便器１の内部を部分真空に保持された下水本管と直接に連絡している。エゼクタ３の吸込管４は下水本管ネットワーク２の出口端部２ａと接続されている。エゼクタ３は下水収集容器５の中に下水を排出する。強力な循環ポンプ６は容器５内に収容された主に液体である下水を容器５から管７を通して吸引し、その下水を管８を通してエゼクタ３に圧送し、エゼクタ３においては、ポンプ６により送出された流れがエゼクタ３を作動させるための作動媒体として作用し、それにより部分真空がエゼクタ３の吸込室（吸込管４を含む）内に先ず発生し、その後下水本管ネットワーク２においても発生する。下水本管ネットワーク２の出口端部２ａとエゼクタ３の吸込室との間には、逆止弁９（図２参照）と、常時開いている遮断弁１０とが設けられている。エゼクタ３の作動媒体と、下水管を通してエゼクタ３まで吸い込まれた空気および下水とはエゼクタ３の吐出管１１を通して容器５の内部の中に直接に高速度で流入する。
【００１６】
循環ポンプ６の上流側には常時開いている遮断弁１２と粉砕装置１３とが設けられている。粉砕装置１３は下水の中に発生する固形物を粉砕する。粉砕装置１３は循環ポンプ６により駆動することができかつ例えばポンプロータと同じ軸上に取り付けられることによりポンプ６と一体に連結することができる。ポンプ６により発生せしめられた流量は、説明する実施例においては、毎時１００ｍ^３ よりも高い。そのときのエゼクタ３のちょうど上流側の管８内の圧力は約２バール（ゲージ圧）である。ポンプ６は容器５を空にすると同時にエゼクタ３を駆動することができる。容器５を空にする段階においては、好ましくは遠隔制御される弁１４が開かれ、それによりポンプ６を通過する媒体の流れの例えば２０％の割合が管８から管１５に流れる。ポンプ６の出力はエゼクタ３が十分な動力で運転されているときですらも管１５にポンプで圧送される媒体がポンプ６のレベルの上方約１０メートルないし２０メートルである距離ｈを上昇することができるように十分に高く設定されている。
【００１７】
容器５内には、２個のレべル指示器１６ａおよび１６ｂが設けられている。これらのレベル指示器のうちの下側レベル指示器１６ａはもしも容器５内の液体の量が過少であれば警報装置を作動させ、そして上側レべル指示器１６ｂは容器５内の液体のレベルが容器５を空にすることが必要なほどに高く上昇したときに警報装置を作動させる。しかしながら、例示した下水本管装置はたとえ容器５内の液面が上側レベル指示器１６ｂにより設定されたレベルよりも高く上昇しても、またたとえエゼクタ３の吐出管１１が容器５内の液面よりも部分的にまたは全く下方に配置されたときですらも作動可能である。しかしながら、通常、液面は常にエゼクタ３の吐出管１１よりも明らかに下方に保たれ、例えば、吐出管１１の長手方向の軸線から吐出管１１の内径の１．５倍ないし２倍の距離だけ下方に保たれるべきである。吐出管１１の出口端部からその前方の最も近い壁部（またはその他の障害物）までの距離ｄはある最小距離よりも小さくすべきではない。この最小距離は０．５メートルから企図された最高のエゼクタ出力で作動するエゼクタの場合には１．０メートルまで増大させることが推薦される。
【００１８】
本発明による真空発生装置は、例えば、大型客船に有利に使用することができる。この場合には、約２００個の水洗便器を単一のエゼクタにより動力が供給される一つのネットワークと接続することができる。各々がそれ自体の循環ポンプ６を含む図１による数基のエゼクタ装置を同じ収集容器５の中に下水を供給するように接続することができる。そのときに、これらのエゼクタ装置のすべては一つの共通の管を介して同じ下水本管ネットワーク２と便利良く接続される。収集容器５の容積は通常１０ｍ^３ またはそれ以上である。収集容器５は大気圧に維持される。同じ収集容器５と接続されたすべてのエゼクタ３は、もしも収集容器５を空にするために数基の循環ポンプ６を同時に使用することにより空にする速度を高めることが必要でなければ、収集容器を空にする施設を提供する必要はない。
【００１９】
エゼクタ３の構成部分は図２にさらに詳細に示してある。エゼクタ３の吸込管４内の逆止弁９はエゼクタ３が作動しているときに吸込管４の大きく形成された部分４ａ内の位置９ａまで移動する可撓性のゴムフラップの形態を有している。この大きく形成された部分４ａのケーシングには、取外し可能な検査カバー１７が設けられている。この検査カバーが取り外された後に、エゼクタ３の吸込室の内部に自由に接近することができる。
【００２０】
エゼクタ３の作動媒体用送出管８（図１）がフランジ１８と接続されている。ノズル部材１９がフランジ１８とエゼクタケーシング２２との間にねじボルト２０により保持されている。それゆえに、エゼクタの特性を変更することが所望されれば、ノズル部材１９を異なるノズルと容易に交換可能である。エゼクタ３の長手方向軸線２１と吸込管４の長手方向軸線４ｂとの間の角度Ｖは例示した実施例においては約４５°である。
【００２１】
エゼクタ３の円筒形の吐出管１１はエゼクタケーシング２２にフランジ連結具２４により取り付けられている。従って、もしも、例えば、ノズル部材１９を交換したために異なる吐出管を使用することが必要になれば、吐出管１１は容易に取外し可能でありかつ交換可能である。吐出管１１およびエゼクタ３全体は同時に収集容器５とフランジ２５により連結される。フランジ２５はつば（図示せず）により吐出管１１上に調節可能に装着することができ、従って、フランジ２５を吐出管１１の長手方向に再配置することができる。
【００２２】
吐出管１１の長さＬはその内径、すなわち、内腔の直径Ｄの８倍ないし２０倍、好ましくは、１０倍ないし１５倍である。吐出管１１の自由な開口部の横断面積は、例示した実施例においては、エゼクタ３のノズル部材１９の最小の開口部２６の面積の２．５倍よりも僅かに大きく設定されている。
【００２３】
本発明のいくつかの変型が特許請求の範囲内で実施可能であるので、本発明は例示した実施例に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による真空発生装置を使用した真空下水本管装置の全般的な配置を示した略図。
【図２】図１の真空下水本管装置のエゼクタの長手方向の断面を示した略図。
【符号の説明】
１ 水洗便器
２ 真空下水管ネットワーク
３ エゼクタ
４ 吸込管
４ａ 吸込室
５ 収集容器
６ 循環ポンプ
７ 管
８ 管
９ 逆止弁
１０ 遮断弁
１１ 管
１２ 遮断弁
１３ 粉砕装置
１５ 管
１６ａ 下側レベル指示器
１６ｂ 上側レベル指示器
１９ ノズル
２６ 最小の開口部
Ｄ 吐出管の内径
Ｌ 吐出管の長さ

Claims (10)

1. 真空下水本管装置内で下水を輸送するための減圧を発生させるための真空発生装置にして、該真空発生装置が液体で駆動されるエゼクタ（３）を備え、エゼクタ（３）の作動媒体はエゼクタ（３）に循環ポンプ（６）により下水収集容器（５）から供給され、エゼクタ（３）の吸込側が逆止弁（９）を介して真空下水本管ネットワーク（２）と接続され、それにより下水本管ネットワーク（２）に送出された空気および下水がエゼクタ（３）を通して収集容器（５）の中にひき込まれる真空発生装置において、空気、下水およびエゼクタ（３）の作動媒体が収集容器（５）の中に放出される際に通過するエゼクタ（３）の吐出管（１１）の内腔が全体を通じて実質的に円筒形であり、かつ吐出管（１１）の長さ（Ｌ）がその内腔の直径（Ｄ）の８倍ないし２０倍であり、好ましくは１０倍ないし１５倍であり、かつ吐出管（１１）が収集容器（５）の開放された内部の中に下水を直接に放出するようになっていることを特徴とする真空発生装置。
2. 請求項１に記載の真空発生装置において、循環ポンプ（６）によりエゼクタ（３）のちょうど上流側の作動媒体に発生した圧力が少なくとも１．５バールであり、好ましくは１．９バール（ゲージ圧）であることを特徴とする真空発生装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の真空発生装置において、循環ポンプ（６）によりエゼクタ（３）に供給される作動媒体の流量が少なくとも毎時９０ｍ^３ であり、好ましくは毎時１００ｍ^３ またはそれ以上であることを特徴とする真空発生装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、エゼクタ（３）の吐出管（１１）の内腔の開放された横断面積がエゼクタ（３）内に供給された作動媒体のためのノズル１９の最小の開口部（２６）の横断面積の少なくとも２．２倍であり、好ましくは少なくとも２．５倍であることを特徴とする真空発生装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、エゼクタ（３）と接続された真空下水本管ネットワーク（２）の端末部（２ａ）がエゼクタ（３）の吸込室（４ａ）とエゼクタ（３）の吐出管（１１）に向かう向きにおいて接続されかつ吐出管（１１）の長手方向の軸線に対して４５°±２０°の角度に傾斜し、好ましくは４５°±１０°の角度に傾斜していることを特徴とする真空発生装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、エゼクタ（３）のノズル部材（１９）および吐出管（１１）がエゼクタ（３）のポンプ送出特性を変更するためにその他の部分と交換可能であるようにエゼクタ（３）のその他の構成部分に取外し可能に取り付けられていることを特徴とする真空発生装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、循環ポンプ（６）の出力がエゼクタ（３）が真空発生器として作動しているときですらもポンプ（６）が収集容器（５）の内容物の一部分をポンプ（６）のレベルの上方少なくとも１０ｍ、好ましくは少なくとも１５ｍである高さまでポンプで揚げることができるようにエゼクタ（３）に必要な作動媒体の流量に対して選択されていることを特徴とする真空発生装置。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、間隙（ｄ）がエゼクタ（３）の吐出管（１１）の出口端部とその前方の最も近い障害物との間に設けられ、間隙（ｄ）が少なくとも０．５ｍであり、好ましくは少なくとも１．０ｍであることを特徴とする真空発生装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の真空発生装置において、循環ポンプ（６）の上流側に循環ポンプ（６）中に流入する下水を粉砕する粉砕装置（１３）が設けられていることを特徴とする真空発生装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の真空発生装置において、開放可能な検査カバー（１７）がエゼクタ（３）の内部への接近を容易にするために設けられていることを特徴とする真空発生装置。

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