JP3985238B2 - 作用保管型サイフォンユニット - Google Patents

Description

本発明は排液をするためのサイフォンユニットに関する。

水族館や養殖生簀、ペットショップなどでは、図５の樋（２２）、切り欠き（２３）、導水管（２４）、地下導水管（２６）に示す方法などで新鮮な水を順次給排水して槽を並べている。この方法は特許文献１の貯水池の堤防壁を貫通して排水しているのと同じである。

容器や槽へ穴などの加工をせず槽壁を越して水を自然流で排出するとき、図１のＢの如くＵ形曲管（６）やホースへ水を満たし水頭（７）のサイフォン作用により吸い出しする方法があり、大型になると特許文献２のごとく始動毎、動力ポンプを使いサイフォン管内へ水を充填し排水している。

一方、サイフォン管の使い方には、特許文献３の計量装置のように排出経路の出口パイプにサイフォン管を使い、ポンプハウスから逆止弁を通して融けた金属を精度よく安定した量で排出するために、出口パイプの出口と溶融金属貯蔵槽の容器内水位の高さを同じにして、出口パイプ内を溶融金属で常に満たし出口パイプ内残留量を一定に保つ目的で、使われるケースもある。

特開平８−２３２２４９号公報 特開２００４−２３９１６３号公報 特開平６−２２１８９１号公報

図５の導水管（２４）、地下導水管（２６）のように各種タンクや養殖生簀などの槽壁へ排水管を接続する場合は槽壁の応力分散強度及び耐震性が劣るため、槽壁を越えて特許文献２の形ちのようにサイフォン管を使う場合があるが、サイフォン管には槽内の水が枯れて図１Ｂのようにサイフォン管端末水位（８）よりも水位が下がり空気が入り込むとサイフォン作用が壊れ、再び槽内の水位が上がっても自力では流れ出さない問題があった。

本発明は、その問題を克服し永続してメンテナンスフリーで、再び槽内の水位が上がるたび、特許文献２と違い動力ポンプ無しで、特許文献３と違いサイフォンによる排出作用を使い、自然にくり返し流れ出すようなサイフォンユニットを提供する。

永続して、サイフォン管内の液が流れ切れて空気が入りサイフォン作用を破壊させないため、主溜め（貯蔵槽）とは別の補助溜めをサイフォン管の両端へ、溜めの底はサイフォン管部端末より低く、溜めの壁はサイフォン管部両端末より高くして、更に下記の方法で取り付け、サイフォン管内を常に液で満たす状態にする。
平面へ展開した場合にはＷ形状を成す形で、Ｕ字形サイフォン管の下向き両端から方向を転じて上向きに曲げて管を延長し延長部を補助溜めとして使用する。
また、下向きのＵ字形サイフォン管端末をそれぞれ挿入する、上方を開口した補助溜めをサイフォン管両端へ固定する。或いは、サイフォン管の片方の端を違えて先のＷ形状の方法の片端を組み合わせした方法で補助溜めを両端へ付ける。
このようにして、貯蔵槽の液水位がサイフォン管端より枯れて下がってもサイフォン管内の液および両補助溜め内の液の水頭バランスが取れた段階でサイフォン管を通る液の流れは止み、サイフォン管内の液が流れ切れるのを永続して防ぐ。
再び補給されて貯蔵槽内の水位が補助溜め部より上がるごと、その上がった分の水頭圧でサイフォン管を通り貯蔵槽外へ液が自然に流れ出すようにする。

任意の位置へ排液するには貯蔵槽外の補助溜めと排液管を接続しなくてはならないが、Ｗ形状の方法では上向き補助溜め部上端から下方向へ曲げて延長し、延長部を排液管とし、その山曲げ部天面へ気孔を設け空気を取り入れて、補助溜め部と排液管との水頭関係を遮断し、
一方、補助溜めの方法では貯蔵槽内の補助溜め部の高さで外部補助溜めの側壁へ排液管を接続し、外部補助溜めの壁は接続部より高く足して液が溢れないようにすると伴に上部は開口したままにして、
排液管の落差による吸引作用で補助溜めとサイフォン管内の液を吸い出し切ってサイフォン作用を壊さないようにする。
そして、排液管の落差による吸引作用を活かした急排液をする場合には、サイフォン管内へ空気が吸い込まれない貯蔵槽内の液水位が優に補助溜部を越した範囲でのみ、その気孔ないし開口を自動で閉じる弁また開閉機能管を設ける。

サイフォンユニット内の液が蒸発して失うまで、動力を使わずメンテナンスフリーで永続して自然排水ができ、省エネルギーへ貢献する。

本サイフォンユニットを使う槽は、槽壁に穴加工をせず応力の集中が無く、各槽は槽壁へ管で直結することなく独立させられるとともに、化学プラント槽や薬品槽を平坦な場所へ並べることが可能であり、地震や振動による倒壊、決壊、漏洩に強い連続した排液ができ、安全に貢献する。

サイフォンを使うため、図５に比べ図４のように既存の槽を穴明加工することなく排水管を簡単に設置できるので安価で自由な槽のレイアウトができる。

サイフォンユニットへ昇降装置を付加することにより、水位制御や流量制御、計量排出が、簡単で精度ある設備ができる。

排水に使うサイフォン管の両端へ以下の方法で補助溜めを設け、平面へ展開した場合にはＷ形状を成すサイフォン管図１ＡのＷ型曲管（１）を用い両端の立ち上げ管を補助溜め にして管壁の補助溜め壁（５５）の高さを中央の山曲げ部より低く貯蔵槽（５）壁の高さ より低く、両サイドの谷曲げ部の管内底の補助溜め底（５６）ではなく谷曲げ部の管内上 面のサイフォン管端末点（５７）より高くする方法、
また、図２へ示す底はサイフォン管端末より低く、壁はサイフォン管両端より高く、サイフォン管端を常時水中へ浸たすための補助溜（９）を固定する方法、或いは片方のサイドを違えて先のＷ型曲管の方法の片方を組み合わせした図３Ｄのような方法で補助溜めを設けて、
サイフォン管内の水および補助溜め部の水の水頭（２）および水頭（１０）でバランスを取って、貯蔵槽内水位が図１Ａの水位（４）以下へ下がっても図２の水位（１２）まで下がっても、サイフォン管内の水の流れ切りを止めて、サイフォン作用の破壊を防ぎ、永続してサイフォン作用を維持保管し、再び貯蔵槽内の水位が上がり図１Ａの水頭（３）ないし図２の水頭（１１）が生じたとき、その水頭圧でサイフォン管内を通り自然に水が貯蔵槽外へ流れ出すようにする。

任意の位置へ排水するには補助溜めへ排水管を接続しなくてはならないが、図３Ｃのごとく排水管（１４）の接続部の天面へ気孔管（１３）ないし気孔穴を設ける方法、
図３Ｄに示すサイフォン管へ固定した補助溜の側面へ排水管（１７）を接続し開口（１６）を設ける方法で、補助溜めと排水管の水頭関係を断ち切り、排水管の吸い込み水頭（１５）がサイフォン管内へ掛からないようにして、サイフォン管内の水および補助溜め内の水が排水管に吸い取り切られないようにしてサイフォン作用を維持保管し、メンテナンスフリーで槽内の水位を保ちオーバーフロー排水をする。

本発明のサイフォン部の最上部には、扱う液体の気泡が限界を超えると、管内へ空気が溜まり機能しなくなるので、ガス化しやすい液体や泡立つ近くへ設置をしないで、場合によりサイフォン管内の空気の溜まりを観察できるガラス管を使用する。

図１ＡのＷ形曲管（１）は平面へ展開した場合にＷ形状を成すのでＷ形曲管と称したが槽や周囲の都合に合わせて図６のように原理を崩さない範囲で曲げ得る。

図６、７、８、９のようにパイプのみで安価で容易に加工設置ができる下記の方法を薦める。図２に比べ、平面へ展開した場合にＷ形状を成すサイフォン管図１ＡのＷ型曲管（１）を薦める。また、任意の位置へ排水する排水管を接続するには、図３Ｄに比べ、よりシンプルな図３Ｃの管での補助溜め方法を薦める。

補助溜め部と排水管の接続部の気孔径は小さ過ぎると、サイフォン管へ掛かる排水管の吸引作用を断ち切るための空気が入りきれず、サイフォン管内の水を排水管が吸い取り出し切ってしまいサイフォン作用を壊し、永続的なサイフォン作用の維持ができなくなる。すなわち、図１で言う水頭（３）が十分で、図３Ｃ、図４の気孔管（１３）（１８）の気道の有効径が小さいときには図１Ｃ及び図３Ｃで示す排水管（４７）と（１４）の落差水頭（１５）の吸引作用が働き排水速度を急にするメリットがある。
しかしながら、槽内水位が下がり図１で言う水頭（３）が少なくなって水位（４）へ近づき、渦（うず）と伴に空気が本ユニット内へ吸い込まれサイフォン作用が壊され出す前に、その破壊を防ぐのに必要な空気量を取り入れる気孔径を槽内水位の低下に応じて拡張することが必要になる。
電気的水位センサーを伴う電動弁でもよいが、図１０のフロート弁（３４）は、槽内の水位（３５）に応じて、図３Ｃで示す水頭（１５）を活かし急排水をするために設けたその気孔弁である。図１０Ｅは閉弁時、図１０Ｆは開弁時の図で、真空圧の吸着から弁を開くため、弁解閉用バネ（３６）を付けている。フロート弁ユニット部と気孔管の間はネジまた軽圧入の勘合で取り外しができ、そして、設置初期にユニット全体へ呼び水を気孔管から供給するときに閉じる排水管の弁（４５）を設ける。
他方、その気孔弁には、図１２、図１３の気孔延長管（４６）（５３）を槽内へ挿入した水面式の気孔開閉機能管の方法も可能であり、簡単でコストパフォーマンスがあるが、貯蔵槽内の水位が上がるとき図１２Ｇの水位（４８）で瞬間的に気孔管を閉じると、排水管（４７）内の図説明のように上から下まで通気してしまう空間（５９）を残して管の内壁をつたう水流状態（５８）で、自重落下をする時に、図１２Ｈの交後の真空な空気泡（６０）と水の塊りの下降吸引ピストン状態（６１）が発生せず、流量が少ないまま、槽内水位（４９）まで上っても排水管の吸引作用による急な排水を起こすことができない状態に陥るときがあるので、図１２Ｈ、図１３Ｊのスリット（５０）（５４）で管端の開口部側面を切り欠き槽内の水位が上がると伴に通気を徐々に閉じて気孔管内の気流に脈流を発生させ図１２Ｈの排水管内の図のように空気泡（６０）混じりな脈流を生じさせる水位区間（５１）が一時必要である。図１２Ｈの水位区間（５２）が図３Ｃで言う排水管水頭（１５）をフルに活かした急排水に成る槽内水位である。ただし、水位区間（５１）では、ボコボコと沸騰音に似た音が少々発生する。そこで、音を気にする時には気孔管内で空気の振動が有っても外には聞こえない図１０のフロート弁（３４）を薦める。
このように急排水機能を設ける場合には、気孔用のフロート弁式と代替水面式いずれでも、瞬間に弁を閉じると前説明のごとく急排水を成さない時も生じ、排水管が太すぎても同じことが起き、細すぎると流体抵抗から排水能力が下がるので、槽内への給水量、排水管の落差、およびユニット全体の流量有効径のバランスを配慮する必要がある。

図１１は、段落００１９記載の図１０のフロート弁（３４）を使った急排水機能を設けた、水洗用貯水タンクのものを転用した気孔有効径調整用フロート弁（３７）と、流水代わりの家庭用井戸ポンプ（３８）、繰り返し再現テストのための草花の自動水やりを転用したタイマー式給水バルブ（３９）、エンビφ１３パイプを使った給水管（４０）、φ１６パイプを使った連結用Ｗ形状サイフォン（４１）、φ１６パイプを使った排水用Ｗ形状サイフォン（４２）、φ１６パイプを使った気孔管（４３）、そして、φ１３パイプ１ｍ長を使った排水管（４４）を配した、図４と図１０の構成で排水能力を確かめた実験槽の写真であり、ポンプの全開給水能力毎分１５．５リットルに対して更にポリタンクから加水して本サイフォンユニットの排水能力が毎分２０リットルあることを確かめられた。この排水能力は液の種類、管の太さ長さの規模の大きさで変わり得るものである。
段落００１９で説明した弁（フロート弁）ないし水面式の気孔開閉機能管の働きは、槽内の水位に応じて気孔径を自動で可変させる為のものである。
本発明で使用する、その可変弁は、ただ気孔を塞ぐものではなく、段落００１９の説明に有るごとく、気孔径を除々に絞り排水管の吸引ポンプ作用を始めさせて更に多量の水を排水管へ導入し、そのあと更に槽への給水が増えれば気孔径を完全に塞いで排水管のすべての落下水頭を活して排水させるためのものである。この途上の気孔径を絞ることによる配水管の吸引（真空ポンプ）作用で排水管への呼び水の導水が無くしては、本発明の作用は引き出せないことが重要な点である。
また、図６、７、８、９は固定した気孔穴径の段階で、図１０、１１、１３は気孔径を可変する弁を取り付けた段階の状態で雨水自然排水の目的で鑑賞魚槽へ実用したものであるが、これらは、ダム、貯水池、タンクや槽、ビーカー、そして、水以外でもオイル、溶融物、化学薬品、溶けたプラスチック、溶けた金属などの広範囲の液体でも同じく、多目的で使用できる。

エンジンポンプの代わり簡単に取付け取外しができるので、穴や取水口の無い用水路Ｕ字溝と水田間の灌漑給水へ本サイフォンユニットを使用する。

本ユニットか一次タンクいずれかに昇降装置を付加することで一次タンクから２次タンクへの供給量の制御ができるので、液体材料または試薬の調合槽へ本サイフォンユニットを使用する。

原理を説明する図である。 異形タイプを説明する図である。 排水管の接続方法を説明する図である。 並べた槽へ本サイフォンユニットを配置した図である。 従来の排水方法を説明する図である。 本サイフォンユニットを実用した水槽の斜視図である。 実用した水槽の側面写真である。 実用した水槽の表面写真である。 実用した水槽の内面写真である。 急排水するための気孔用フロート弁の設置図である。 図４と図１０を併せ実用テストした実験槽の全容写真である。 気孔延長管での水面式代用弁と急排水説明の図である。 図１２Ｈを実用試験した写真である。

符号の説明

１ Ｗ形曲管
２ 水頭
３ 水頭
４ 水位
５ 槽（貯蔵槽）
６ Ｕ形曲管
７ 水頭
８ 水位
９ 補助溜
１０ 水頭
１１ 水頭
１２ 水位
１３ 気孔管
１４ 排水管
１５ 水頭
１６ 開口
１７ 排水管
１８ 気孔管
１９ 排水管
２０ Ｗ形曲管
２１ 給水管
２２ 樋（とい）
２３ 切り欠き
２４ 導水管
２５ 給水管
２６ 地下導水管
２７ サイフォン管
２８ 槽内管立上げ（補助溜め部）
２９ 槽外管立上げ（補助溜め部）
３０ 排水管
３１ 気孔穴
３２ 水槽
３３ 維持水位
３４ フロート弁
３５ 槽内の水位
３６ 弁解閉用バネ
３７ 気孔有効径調整用フロート弁
３８ 家庭用井戸ポンプ
３９ タイマー式給水バルブ
４０ 給水管
４１ 連結用Ｗ形状サイフォン
４２ 排水用Ｗ形状サイフォン
４３ 気孔管
４４ 排水管
４５ 弁
４６ 気孔延長管（気孔開閉機能管）
４７ 排水管
４８ 水位
４９ 水位
５０ スリット
５１ 水位区間
５２ 水位区間
５３ 気孔延長管
５４ スリット
５５補助溜め壁
５６補助溜め底
５７サイフォン管端末点
５８管の内壁をつたう水流状態
５９空間
６０空気泡
６１水の塊りの下降吸引ピストン

Claims (1)

1. 主溜め（貯蔵槽）とは別の補助溜めを、貯蔵槽壁を跨ぐサイフォン管両端へ、溜めの底はサイフォン管端末より低く、溜めの壁はサイフォン管両端末より高く貯蔵槽壁より低く取り付けて、サイフォン管内を常に液で満たす状態にし、常にサイフォン作用を維持して、
   更に貯蔵槽外の補助溜め壁の最高部へ下へ向けて延長した排液管を接続し、接続部天面へ気孔、又は開口を設けて空気を取り入れて、排液管内の液の降下による吸引作用を減衰させて、その吸引作用によって補助溜めとサイフォン管内の液を吸い出し切りサイフォン作用を壊すことがないようにして、
   そして、貯蔵槽内の液の渦巻きの発生でサイフォン管内へ空気が吸い込まれない貯蔵槽内の補助溜部を越した液面高さの範囲でのみ、その気孔ないし開口の気道を閉じる弁に於いては気孔管へ貯蔵槽壁より高い位置で、又は気孔管を延長して貯蔵槽壁を跨ぎ貯蔵槽内の液面へ差し込む形ちの気孔開閉機能管は貯蔵槽内の補助溜部の高さより高く貯蔵槽壁より低い位置の液面で気孔の気道を閉じる位置で設け、貯蔵槽内の設定した液面高さを越えたオーバーフローを貯蔵槽壁を越えてメンテナンスフリーで永続して、その排液管を満たす液の重力による吸引作用の全てを活かして急な排液の能力をもつ排液ポンプ機能を可能とした、作用保管型サイフォンユニット

Images