JP3869594B2 - サイホン式取水装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイホン式取水装置に関し、詳しくは、溜池等の水を水田の灌漑用水として供給するためのサイホン式取水装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水田の灌漑方法は、そのほとんどが開水路によるものであり、溜池（貯水池）からの取水も斜樋による方法が多く用いられている。一方、近年は、水の有効利用や、水管理の省力化のために、パイプラインによる灌漑方法が採用されつつあるが、従来の斜樋からパイプラインに取水すると、ウオーターハンマーやエアハンマーが発生してパイプラインを破壊したり、無効放流が発生したりする問題がある。
【０００３】
このため、溜池の堤体に新たなパイプを貫通させたり、堤体底部に設けられている従来の底樋内にパイプを敷設したりすることも考えられるが、両者とも多額の費用を必要とする。また、底樋内にパイプを敷設する方法は、前者に比べて安価ではあるが、本来の底樋の機能を損なうことになり、溜池自体の寿命にも関連する問題となる。現実的には、溜池の大幅な改修を行うとき以外は、これらの方法を実施することは不可能と思われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、堤体の上にサイホン管を配置し、サイホンにより取水する方法が考えられるが、このサイホン方式は、サイホン管内が減圧状態になるため、水中に溶解している空気が気泡となって分離し、サイホン管の最高地点に空気溜まりが発生することにより、サイホンが機能しなくなるなどの運用上の問題点を多く抱えている。
【０００５】
そこで本発明は、サイホンを形成するパイプ内の空気をパイプ内から確実に排除することができ、安定した取水状態を持続させることができるサイホン式取水装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のサイホン式取水装置は、溜池等の水をサイホン管により取水して灌漑用水等として給水するサイホン式取水装置であって、前記サイホン管内の気泡を捕捉するための気泡捕捉室と、前記サイホン管から分岐した小径の補助サイホン管と、該補助サイホン管の途中に補助サイホン管より大径の筒体の軸線を鉛直方向にして設けた混合筒とを備え、該混合筒は、上端部に補助サイホン管の下流側配管が接続され、中間部に補助サイホン管の上流側配管が接続され、下端部に前記気泡捕捉室の上部に接続した気泡吸引管が接続されるとともに、該気泡吸引管の接続部上方の筒内に、気泡吸引管から混合筒内に流入した小気泡を捕捉して大気泡とする気泡溜を設けたことを特徴としている。
【０００７】
さらに、前記補助サイホン管が、前記サイホン管からの分岐部と前記混合筒への接続部との間にストレーナーを備えていること、また、前記混合筒に接続した補助サイホン管の下流側配管、補助サイホン管の上流側配管及び気泡吸引管に、流量を調整する弁がそれぞれ設けられていること、さらに、前記混合筒が、上下位置が調整可能な状態で設けられていること、また、前記気泡捕捉室が、前記サイホン管の上方に複数の気泡上昇管を介して設けられるとともに、該気泡捕捉室の上部に前記気泡吸引管が接続されていることを特徴としている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明のサイホン式取水装置の第１形態例を示すもので、図１は全体構成を示す説明図、図２は要部の配管系統図である。このサイホン式取水装置は、溜池１から取水して灌漑用のパイプライン２に給水するためのものであって、堤体３の上にサイホンを構成するパイプラインからなるサイホン管４を配置している。このサイホン管４の溜池側４ａには、逆止弁、一方弁、仕切弁等の遮断弁５を介して取水フロート６に接続するフレキシブル管７が設けられており、パイプライン側４ｂは、遮断弁８を介してパイプライン２に接続している。
【０００９】
前記サイホン管４の最高地点４ｃには、サイホン管４内で発生したり、流入したりしてサイホン管４の最高地点４ｃ部分に滞留する空気（気泡）を排除するための気泡捕捉室１１と、初期注水時に空気抜きを行うための空気抜弁９とが設けられている。なお、本形態例に示す気泡捕捉室１１は、サイホン管４から鉛直方向に立ち上がったパイプにより形成されており、その上端には、注水弁１２を介して注水口１３が連設されている。なお、この注水口１３には、図示は省略するが、ポンプ等を介して溜池１と接続した給水パイプが設けられている。
【００１０】
さらに、サイホン管４の最高地点４ｃより溜池側４ａからは、補助サイホン管２０が分岐している。この補助サイホン管２０は、サイホン管４内を流れる水の一部を分取してパイプライン２側に流出させるものであって、最高地点４ｃに滞留した空気の混入を防止するため、溜池側４ａにおいて最高地点４ｃより低い位置から分岐している。また、補助サイホン管２０は、サイホン管４に比べて小径のパイプにより形成されており、補助サイホン管２０の途中には、ストレーナー２１と混合筒２２とが設けられている。
【００１１】
ストレーナー２１は、水中のゴミ等を除去するためのものであり、このストレーナー２１より上流側の補助サイホン管２０には、ゴミ等がつまらないような比較的大径のパイプが用いられ、ストレーナー２１より下流側の補助サイホン管２０ａには、前記気泡捕捉室１１から空気を吸入除去するのに適した口径のパイプが用いられている。
【００１２】
前記混合筒２２は、補助サイホン管２０より大径の筒体を、その軸線を鉛直方向にして設けたものであって、混合筒２２の上端部には、補助サイホン管２０の下流側配管２０ｂが接続され、中間部に補助サイホン管２０の上流側配管２０ａが接続されるとともに、下端部に前記気泡捕捉室１１の上部に接続した気泡吸引管１４が接続されている。この混合筒２２に接続された各配管１４，２０ａ，２０ｂには、各配管内の流量を調整するための弁３１ａ，３１ｂ，３２，３３がそれぞれ設けられている。なお、気泡吸引管１４に弛みがあると、気泡吸引管１４内に水が流入したときに弛み部分に滞留して空気の流れを阻害することがあるので、気泡吸引管１４は、混合筒２２へ向かう下り勾配を有するように設置しておくことが望ましい。
【００１３】
前記混合筒２２の内部には、気泡吸引管１４の接続部の上方に、気泡吸引管１４から混合筒２２内に流入した小気泡を捕捉して大気泡とする気泡溜２３が設けられている。この気泡溜２３は、混合筒２２の内壁に固着されたリング部２３ａと、該リング部２３ａの中央開口部から下方に突出した円筒部２３ｂとからなるものであって、気泡吸引管１４から流入した小気泡を、リング部２３ａの下面、円筒部２３ｂの外周面及び気泡溜２３の内周面に囲まれた部分に捕捉するように形成されている。この気泡溜２３に捕捉された気泡は、その量が多くなって気液界面が円筒部２３ｂの下端を超えると、リング部２３ａの中央開口部を通って一気に流出し、大きな気泡となって混合筒２２内を上昇することになる。
【００１４】
さらに、混合筒２２の上端部には、筒内を上昇してきた気泡が上端部に溜まってしまうことがないように、流出口を頂点とした円錐部２４を設けて補助サイホン管２０の下流側配管２０ｂに速やかに気泡を流出させるようにしている。また、混合筒２２は、上昇する気泡の状況を外部から観察できるように、透明材料で形成しておくことが好ましい。
【００１５】
なお、サイホン管４は、溜池１とパイプライン２との高低差（サイホンの動水勾配）や給水量に応じた口径のパイプを用いることができ、補助サイホン管２０は、サイホン管４から分岐してストレーナー２１に至る部分は、ゴミ詰まりを生じない程度の比較的大口径のパイプを用いることができる。そして、ストレーナー２１より下流側の補助サイホン管２０、特に、混合筒２２よりも下流側の部分、即ち下流側配管２０ｂは、混合筒２２から断続的に排出される大きな気泡が水に押し流される状態となるような小径のパイプを用いるようにし、気泡吸引管１４も、管内の空気が適当な流速で流れるように、比較的小径のパイプを用いることが望ましい。
【００１６】
次に、このサイホン式取水装置により溜池１の水をパイプライン２に供給する手順を説明する。まず、サイホン管両端の遮断弁５，８を閉じた状態で、空気抜弁９や注水弁１２等の弁を全て開放した状態で、ポンプ等を利用して注水口１３から水を注入する。これにより、サイホン管４内の空気が空気抜弁９を通って外部に排出されるとともに、サイホン管４内の水位が次第に上昇して管内に充満する。
【００１７】
そして、水位が補助サイホン管２０の最高地点より高くなると、補助サイホン管２０内に水が流入し、補助サイホン管２０を通ってパイプライン２の方向に流れる状態となる。この時点で空気抜弁９及び注水弁１２を閉じて溜池側の遮断弁５を徐々に開いていくと、補助サイホン管２０のサイホン作用により、取水フロート６で取水された溜池１内の水が、サイホン管４の溜池側４ａから補助サイホン管２０を経て流れていく状態となる。最後に、パイプライン２側の遮断弁８を開くと、サイホン管４のサイホン作用によって溜池１の水がサイホン管４を通ってパイプライン２に供給される取水運転状態となる。
【００１８】
通常の状態では、取水フロート６で取水された水の大部分はサイホン管４を流れてパイプライン２に供給され、一部の水が補助サイホン管２０に分岐し、ストレーナー２１及び混合筒２２を通って流れる状態となる。
【００１９】
この取水運転において、サイホン管４内が減圧状態になるため、水中に溶け込んでいる空気が気泡となって分離する。管内で発生した気泡は、サイホン管４内の流速がある程度高い場合は、パイプライン側４ｂを流下する水と共にパイプライン２にまで流れて行くが、流速がある程度以下に遅くなると、気泡がサイホン管４の管壁上部側を伝わって上昇していくので、サイホン管４の最高地点４ｃに設けられている気泡捕捉室１１内に浮上して捕捉される。
【００２０】
ここで、気泡捕捉室１１に対する混合筒２２の高さ位置は最適に設定されており、各弁３１ａ，３１ｂ，３２，３３の開度バランスを調整して混合筒２２の上端から下流側配管２０ｂに流出する流量及び上流側配管２０ａから混合筒２２に流入する流量を適切に設定することにより、気泡捕捉室１１内の空気が、気泡吸引管１４を介して混合筒２２内に吸引される状態になる。
【００２１】
そして、補助サイホン管２０における下流側配管２０ｂは、前述のように、小径のパイプを用いて管内を流れる水の流速が十分に速くなるようにしているため、この下流側配管２０ｂ内を流れる水は、混合筒２２内を上昇した気泡を同伴して流下することになる。なお、下流側配管２０ｂの水は、そのまま河川等の適宜な場所に放水してもよく、灌漑用水の一部として水田に供給してもよい。
【００２２】
このようにして気泡を排出するにあたり、各配管２０ａ，２０ｂの流量条件を一定とすれば、混合筒２２の位置を高くすると気泡吸引管１４を流れる空気量が増大し、混合筒２２を低くすると空気量は減少する。逆に、混合筒２２の高さを一定にすると、気泡捕捉室１１内の空気量が多くなって、水面と混合筒２２との高低差が小さくなると空気吸引量が増加し、気泡捕捉室１１内の空気量が少なくなって水面と混合筒２２との高低差が大きくなると空気吸引量は減少して最終的には空気吸引が停止する。
【００２３】
したがって、混合筒２２の高さを適切に設定するとともに、補助サイホン管２０における前記各配管２０ａ，２０ｂの流量を調節することにより、気泡捕捉室１１において、気泡吸引管１４の接続部より僅かに下方に水面が上昇したときに、気泡捕捉室１１からの空気流出（混合筒２２への吸引）が生じないようにすることが可能となる。これにより、気泡吸引管１４内に水が流入することを防止でき、水中に含まれるゴミによって気泡吸引管１４が詰まることがなくなる。一方、気泡捕捉室１１内に大量の空気が流入した場合は、混合筒２２への空気吸引量が増加するので、空気の排出を迅速に行うことができる。なお、この場合でも、両配管２０ａ，２０ｂの流量を適切に設定しておくことにより、下流側配管２０ｂに大量の空気が流入して補助サイホン管２０のサイホン作用が失われることを防止できる。
【００２４】
また、気泡吸引管１４からの空気吸引量が少ない場合、そのままでは、下流側配管２０ｂ内に小気泡が流入することになり、この状態が長く続くと、数多くの小気泡が管内に滞留してサイホン作用が失効するおそれがあるが、混合筒２２内に気泡溜２３を設け、下流側配管２０ｂを流下する水と共に流下するような大きな気泡にしてから混合筒２２内を上昇させるようにしているので、小気泡によるサイホン作用の失効を生じることはない。
【００２５】
さらに、補助サイホン管２０におけるサイホン管４からの分岐部を、サイホン管４の最高地点４ｃの上面に設けず、図１に示すように、溜池側４ａの上方部分に設けておくことにより、サイホン管４内を流れる気泡が補助サイホン管２０内に流入することを防止できるので、サイホン管２０のサイホン作用を確実に継続させておくことができる。
【００２６】
このような気泡の排出機構は、サイホン管４に気泡捕捉室１１や補助サイホン管２０等を設けるだけで実施可能であり、電気等の駆動源も必要としないから、工事費も安価であり、ポンプも不要となることから、ランニングコストも低廉で保守も容易に行うことができる。さらに、適宜な支持手段によって混合筒２２の上下位置を調整可能にしておくことにより、気泡の排出状態を容易に調整することができ、例えば、溜池１の水位変動にも簡単に対応することができる。
【００２７】
また、取水フロート６として、図３乃至図５に示す逆止弁付き取水フロートを使用することにより、より効率のよりサイホン取水を行うことができる。この逆止弁付き取水フロートは、図３の平面図、図４の断面正面図、図５の断面側面図にそれぞれ示すように、パイプを方形に組み合わせたフロート本体６１と、このフロート本体６１の下にアングル６２及び支持部材６２ａを介して取付けられた弁箱６３と、該弁箱６３の流入室６３ａに連通するように取付けられた取水用有孔パイプ６４と、弁箱６３の流出室６３ｂに連通するように取付けられた接続管６５とにより形成されている。
【００２８】
弁箱６３内は、中央に弁口６６ａを有する弁座部材６６により、前記流入室６３ａと流出室６３ｂとに区画されており、弁座部材６６の下面一側に、弁作動用フロート６７ａを備えた弁体６７が弁口６６ａを開閉可能な状態で取付けられている。
【００２９】
この逆止弁付き取水フロートは、図４及び図５に示すように、溜池等で使用するときには、フロート本体６１が水面に浮かび、弁箱６３や取水用有孔パイプ６４が水面下に位置した状態になり、通常の取水状態では、前記サイホン作用によって接続管６５に接続したフレキシブル管７内が減圧状態になるので、弁体６７が下方に吸引されて移動し、弁口６６ａが開放され、取水用有孔パイプ６４の側面に開口した多数の取水孔６４ａ及び弁箱６３の流入室６３ａ側周面に設けた多数の取水孔６３ｃから水が流入する。
【００３０】
また、パイプライン２側の遮断弁８が閉じられ、取水運転が中断されて水の流れが停止すると、弁体６７は弁作動用フロート６７ａの浮力によって弁口６６ａを閉塞する位置に移動し、流出室６３ｂから流入室６３ａへの水の逆流を防止する。これにより、フレキシブル管７に接続したサイホン管４内に水を保持した状態にしておくことができる。さらに、サイホン管４内への初期注水時においても、弁体６７が弁口６６ａを閉塞した状態になっているので、サイホン管４内に注入された水が取水フロートから流出することはない。
【００３１】
このような逆止弁付き取水フロートを用いることにより、流路抵抗が大きく、気泡の発生量も多い逆止弁等の遮断弁５をサイホン管４の溜池側４ａに設ける必要がなくなるので、サイホン管４における流路抵抗を低減することができるとともに、装置コストや保守コストの低減が図れる。また、サイホン管４の満水作業時に溜池１と遮断弁５との間に空気が滞留しないため、空気の混入を低減できるという利点もある。
【００３２】
図６は、本発明の第２形態例を示す要部の配管系統図である。なお、以下の説明において、前記第１形態例の構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３３】
本形態例は、サイホン管４内において想定される最低水位よりも下方に位置するように前記混合筒２２を設置するとともに、気泡捕捉室１１への気泡吸引管１４の接続位置を最高水位よりも十分に高い位置に設置したものである。
【００３４】
このように形成することにより、気泡捕捉室１１の上部に必ず空気層１１ａが形成される状態になるので、気泡吸引管１４に水が流れることがなくなり、水中のゴミ等によって気泡吸引管１４が詰まることを防止でき、フィルター等を設置する必要がなくなる。しかも、気泡吸引管１４としてより小径のパイプ、例えば８〜１０ｍｍのものを使用することができるので、万一水が流入した場合でも、混合筒２２における吸引作用によって確実に排出することができる。
【００３５】
さらに、混合筒２２を低位置に設置したので、サイホン管４内の水位が下がっても、補助サイホン管２０による気泡の排出を確実に継続することができる。また、気泡捕捉室１１の上部とサイホン管４との間に、透明管１５を設けておくことにより、気泡捕捉室１１内の水位１１ｂを外部から容易に確認することができる。
【００３６】
図７は、本発明の第２形態例を示す要部の配管系統図である。本形態例は、図７に示すように、堤体３の頂上部に凹凸があり、サイホン管４の最高地点４ｃが複数の山越えを行うようになる場合や、最高地点４ｃの距離が長い場合に最適なものであって、気泡捕捉室１１を形成するパイプを、サイホン管４の最高地点４ｃの上方に配置し、該気泡捕捉室１１と最高地点４ｃとを複数の気泡上昇管１１ａにより接続するとともに、気泡捕捉室１１の上部に前記混合筒に接続する気泡吸引管１４を接続したものである。
【００３７】
この気泡捕捉室１１は、最高地点４ｃの距離に略対応した長さを有し、かつ、気泡上昇管１１ａから気泡捕捉室１１内に上昇した気泡が気泡吸引管１４の接続部方向に移動できる径を有するパイプを、気泡吸引管接続部側が最も高くなる傾斜を与えて設置している。また、気泡上昇管１１ａは、サイホン管４内の気泡が滞留し易い箇所に対応して設ければよく、その設置数は任意である。
【００３８】
このように形成することにより、サイホン管４が複数の山越えを行う場合でも、サイホン管４内からの気泡の排出を、一つの気泡排出手段で確実に行うことができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のサイホン式取水装置によれば、サイホン管内の気泡を確実に排除することができるので、安定したサイホン作用を得ることができ、溜池等からの堤体越えの取水を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のサイホン式取水装置の第１形態例を示す説明図である。
【図２】 同じく要部の配管系統図である。
【図３】 取水フロートの一例を示す平面図である。
【図４】 同じく断面正面図である。
【図５】 同じく断面側面図である。
【図６】 本発明の第２形態例を示す要部の配管系統図である。
【図７】 本発明の第３形態例を示す要部の配管系統図である。
【符号の説明】
１…溜池、２…パイプライン、３…堤体、４…サイホン管、５…遮断弁、６…取水フロート、７…フレキシブル管、８…遮断弁、９…空気抜弁、１１…気泡捕捉室、１２…注水弁、１３…注水口、１４…気泡吸引管、２０…補助サイホン管、２１…ストレーナー、２２…混合筒、２３…気泡溜、２４…円錐部、６１…フロート本体、６２…アングル、６３…弁箱、６４…取水用有孔パイプ、６５…接続管、６６…弁座部材、６７…弁体

Claims (5)

1. 溜池等の水をサイホン管により取水して灌漑用水等として給水するサイホン式取水装置であって、前記サイホン管内の気泡を捕捉するための気泡捕捉室と、前記サイホン管から分岐した小径の補助サイホン管と、該補助サイホン管の途中に補助サイホン管より大径の筒体の軸線を鉛直方向にして設けた混合筒とを備え、該混合筒は、上端部に補助サイホン管の下流側配管が接続され、中間部に補助サイホン管の上流側配管が接続され、下端部に前記気泡捕捉室の上部に接続した気泡吸引管が接続されるとともに、該気泡吸引管の接続部上方の筒内に、気泡吸引管から混合筒内に流入した小気泡を捕捉して大気泡とする気泡溜を設けたことを特徴とするサイホン式取水装置。
2. 前記補助サイホン管は、前記サイホン管からの分岐部と前記混合筒への接続部との間にストレーナーを備えていることを特徴とする請求項１記載のサイホン式取水装置。
3. 前記混合筒に接続した補助サイホン管の下流側配管、補助サイホン管の上流側配管及び気泡吸引管に、流量を調整する弁がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１記載のサイホン式取水装置。
4. 前記混合筒は、上下位置が調整可能な状態で設けられていることを特徴とする請求項１記載のサイホン式取水装置。
5. 前記気泡捕捉室は、前記サイホン管の上方に、複数の気泡上昇管を介して設けられるとともに、該気泡捕捉室の上部に前記気泡吸引管が接続されていることを特徴とする請求項１記載のサイホン式取水装置。

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