JP4033869B2 - 給水方法 - Google Patents

Description

本発明は、位置エネルギーの法則やトリチェリの絶対真空の原理を利用して、各地に散在する複数の水源から貯水池に水を集約させる給水方法に関するものである。

広大な地域において、水を一箇所に集約させたい場合がある。その場合の給水方法として、水を集約させたい貯水池と広範囲に亘って点在する各地の複数の水源とをパイプラインで接続した給水施設が提案される。

この給水施設において、貯水池に水を集約させるには、水源に吸引ポンプを設置し、また、パイプラインが長い場合は、その途中に送水ポンプを設置し、これらのポンプの駆動力により、各地の水源の水を貯水池に集約させる必要があった。

しかしながら、このような水源から所定の箇所（貯水池）に水を集約させる場合に、各地の水源に水圧を付与する手段（ポンプ）を設けると、水圧付与手段の設置費用が嵩み、給水施設自体にコストがかかる。特に、水源が貯水池から数十ｋｍも離れている場合、パイプラインの途中に送水ポンプを設置する必要もあり、さらにコスト高となるといった問題点があった。

本発明は、上記課題に鑑み、遠距離にある水源からでも簡単かつ安価に水を集約して貯水池に給水することができる給水方法の提供を目的としている。

上記目的を達成するため、本発明者は、トリチェリの真空の原理に着目し、そこに形成される絶対真空部の真空吸引力を利用し、この吸引力で遠隔地の水源からでも瞬時に水を吸引することができる給水方法を案出した。

トリチェリの真空は、１気圧の下で１ｍ程度の密封した筒に水銀を詰め、水銀で満たした皿の上で筒をひっくり返すと、筒の中の水銀は徐々に下がってきて、高さが７６０ｍｍになったところで止まる。これは、大気圧と水銀とがつり合ったことにより起こる現象であるが、水銀を詰めた筒は、水銀が下がることによって上の部分が真空状態となる。

本発明では、上記トリチェリの真空の原理を利用し、筒に代わるものとして真空塔を、水銀に代わるものとして水を、そして、皿に代わるものとして貯水池を設けたものである。

すなわち、本発明は、貯水池に各地に存在する水源から水を集約したい場合に、底部が貯水池中に開放した真空塔と各地の水源とをパイプラインを介して接続して給水路を構成し、真空塔内に形成した絶対真空部における真空吸引力を利用して各地の水源からパイプラインを通して水を吸引し、吸引した水を貯水池に供給するようにしたことを特徴としている。

上記構成においては、今まで実用化については思考の埒外にあったトリチェリの絶対真空の原理を水の吸引手段として利用するもので、現代の高度な建設技術を組合わせて大規模で高度な真空状態を形成し、その吸引力によりグローバルスタンダードで広範囲にわたって大量の水の給配を可能とする。

この真空塔内に絶対真空部を形成するには、トリチェリの実験のように、筒に代わる真空塔をひっくり返すことができないので、代わりに真空塔の頂部に頂部弁を設け、この頂部弁の開閉により、内部に水を充填させると共に、真空塔の内部の空気を追い出させ、その後、頂部弁を閉じて大気圧と真空塔内の水柱との釣り合わせることにより、真空塔内の上部に絶対真空部を形成する。

別の方法として、一側を開口し他側を閉塞した真空塔を、水平状態にして一側から真空塔内に給水し、真空塔内を満水にした後、真空塔の開放側を下にするように貯水池に垂直に立てる方法もある。この場合、上記の方法と同様に、真空塔内の水が底部から下方に追い出されて水位が下降し、大気圧と真空塔内の水柱とが釣り合った位置で水位が停止し、真空塔内の上部に絶対真空部が形成される。

絶対真空部は理論的に圧力がゼロであり、その容積が大きくなるほど強力な吸引力を得ることができるので、真空塔は半径方向および高さ方向で大きければ大きいほどよい。その真空塔の形状は、特に限定されるものではなく、円筒状や球状を例示することができる。

ここで、真空塔内に吸引した水は、真空塔の底部から貯水池に供給されるが、貯水池の水面と真空塔内の水柱の高さとの関係は、理論的には常に一定の水位（１０ｍ３０ｃｍ）であるため、貯水池の水面が上昇すれば真空塔内の水柱の水面も上昇することになり、上部に形成されている絶対真空部の容積が小さくなり、水の吸引力が減少することになる。

絶対真空部の容積を確保するためには、真空塔内の水柱の高さを調整しなければならない。この水柱の高さの調整は、トリチェリの真空の原理から貯水池の水面を調節することで行うことができる。

そこで、本発明では、貯水池の水位を水位調節手段により調節することにより、真空塔内の水位を所定レベルに調節するようにしている。水位調節手段としては、貯水池に設けられた水位調節弁や、貯水池に側壁に形成されたオーバーフロー穴を例示することができる。

この水位調節手段により、真空塔内の水柱の高さを所定レベルに調節することができ、絶対真空部の容積を確保して、ポンプなどの駆動源を使用しなくても、常時、グローバルスタンダードで各地の水源から水を自動的に吸引することができる。

以上のとおり、本発明によると、底部が貯水池中に開放した真空塔と別の水源とをパイプラインを介して接続して給水路を構成し、真空塔内に形成した絶対真空部における真空吸引力を利用して別の水源からパイプラインを通して水を吸引し、吸引した水を貯水池に供給するので、ポンプなどの駆動源を使用しなくても、貯水池から数十ｋｍ〜数千ｋｍも離れた水源からでも簡単かつ安価に給水を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る給水方法を実施するための給水施設を示す概略図、図２は同じく貯水池と水源とのパイプライン敷設状態を示す概略図、図３に給水設備のパイプラインを網目状に張り巡らせた状態を示す概略図である。

図に示すように、給水施設は、水を集約させる貯水池１と、該貯水池に立設した真空塔２と、貯水池１と各地に点在する水源８ａ，８ｂ，８ｃとを接続するパイプライン３とを備えている。

貯水池１は、水を集約させたい場所に形成する。貯水池１は、上側が大気に開放した天然池あるいは人工池のいずれであってもよい。この貯水池１に隣接して、それよりも低い位置に第２の貯水池７を設置し、さらに、適宜、第２の貯水池７よりも低い位置に第３の貯水池１２を設置する。これら各貯水池１，７，１２間は、水路９，１０によって連通させ、各水路に貯水池１、７の水位を調節するために水位調節弁６を設ける。第２の貯水池７あるいは第３の貯水池１２に貯えられた水は、図示しないパイプラインを通して各需要先に配給される。

真空塔２は、頂部が半円球状で、本体部が円筒状に形成されており、開放した底部を貯水池１に浸した状態で立設する。この真空塔２は、内部が気密状態となっており、上部に絶対真空部２ａを形成し、この絶対真空部２ａの真空吸引力を利用して各水源８ａ，８ｂ，８ｃから水を真空塔２内に吸引できるようにしている。

絶対真空部２ａは、トリチェリの真空の原理を利用して形成する。トリチェリの真空は、前述したとおり、１気圧の下で１ｍ程度の密封した筒に水銀を詰め、水銀で満たした皿の上で筒を上下逆転させると、筒の中の水銀は徐々に下がってきて、高さが７６０ｍｍになったところで止まる。これは、大気圧と水銀とがつり合ったことにより起こる現象であり、水銀を詰めた筒は、水銀が下がることによって上の部分が真空状態となる。この真空部は絶対真空になる。

本発明では、上記トリチェリの真空の原理を利用し、筒に代わるものとして真空塔２を、水銀に代わるものとして水を、皿に代わるものとして貯水池１を設けたものである。真空塔２では、筒のように、反転させるのが困難であるので、代わりに頂部弁４を設け、この頂部弁４の開閉により、内部に絶対真空部２ａを形成するようにしている。

つまり、貯水池１の水を真空塔２内に押し上げて充填する際に頂部弁４を開放し、真空塔２内で押し上ってくる水によって、内部の空気を頂部弁４から外部に逃がし、頂部弁４から外部に水が放出されたならば閉弁して、真空塔２内に水を充填する。そして、頂部弁４の閉鎖により、貯水池の水面を押し大気圧と、真空塔内の圧力（絶対真空部２ａの圧力＋真空塔下部の水柱の圧力）とが均衡し、貯水池の水面からの水柱の高さ（水位）が一定（理論的には１０ｍ３３ｃｍ）の位置で停止し、その上部に絶対真空部２ａを形成する。

また、貯水池１には、真空塔２内に水を充填するために揚水ポンプ１３が設置される。この揚水ポンプ１３は、その吐出側が真空塔２の底部に接続され、揚水ポンプ１３によって真空塔２内の頂部まで水を押し上げることができるようになっている。揚水の高さが高く、１個の揚水ポンプでは賄えない場合、複数個の揚水ポンプにより効率的に真空塔内に水を充填するようにすればよい。

なお、真空塔２は、基本的に底部が開放した状態となっているが、図１に示すように、閉塞した底部に揚水ポンプ１３と接続される位置と、貯水池１に開放する位置とに切換可能な三方弁からなる底部弁５を設けるとよい。

また、真空塔２の塔壁には、絶対真空部２ａと水源８ａ，８ｂ，８ｃとが連通して、水源８ａ，８ｂ，８ｃの水を絶対真空部２ａに吸引することができるように、パイプライン接続口２ｂが形成される。この接続口２ｂには、パイプライン３が接続されると共に、真空塔２内に絶対真空部２ａを形成するときにパイプライン３を閉塞する開閉弁３ａが設けられる。

水源８ａ，８ｂ，８ｃは、広範囲な地域に点在する湖沼、溜池、さらには河川を例示することができる。パイプライン３は、図２及び図３に示すように、ほぼ水平線上に配置され、放射状あるいは網目状（ウェブ状）に張り巡らして、各地の水源８ａ、８ｂ、８ｃと接続し、真空塔２の接続口２ｂに集約できるようになっている。

上記構成の給水施設において、各水源８ａ、８ｂ、８ｃから貯水池１に水を集約するために、真空塔２内に絶対真空部２ａを形成し、この絶対真空部２ａの真空吸引力を利用して水を吸引する。そのためには、真空塔２内に絶対真空部２ａを形成しなければならない。

絶対真空部２ａを形成するには、トリチェリの真空を真空塔２の上部に形成する。これには、まず、パイプライン３の開閉弁３ａを閉じ、頂部弁４を開放し、揚水ポンプ１３により貯水池１の水を真空塔２内に充填する。真空塔２内に水を充填する際に、貯水池１の水量では賄えない場合、隣接する第２の貯水池７あるいは第３の貯水池１２から水を供給すればよい。

真空塔２内に水が充填された時点で揚水ポンプ１３を停止して頂部弁４を閉じる。そうすると、真空塔２内の水位が徐々に下がって、上部にいわゆるトリチェリの真空と呼ばれる絶対真空部２ａが形成され、また、真空塔２内の水柱１５は貯水池１の水面を押す大気圧と釣り合って停止する。この状態で、貯水池１の水面には大気圧が作用し、また、絶対真空部２ａは理論的には絶対真空になるので、真空塔２内の水柱１５の水位は、貯水池１の水面から１０ｍ３３ｃｍの高さとなる。

一方、絶対真空部２ａは、水柱１５の上方に形成されることになり、その容積が大きいほど真空吸引力が大きくなり、パイプライン３の開閉弁３ａを開放すると、水源８，８ａから大量の水を瞬時に吸引することができる。

本実施形態における真空塔２を、半径１７ｍ、高さ１４０．３３ｍの円筒状とすると、絶対真空部２ａの容積は、
（１４０．３３ｍ−１０．３３ｍ）×１７ｍ×１７ｍ×π（円周率）＝１１７，９７０ｍ^３
となる。

今、絶対真空部２ａと水源８ａ、８ｂ、８ｃとをパイプライン３で接続すると、絶対真空部２ａの圧力（理論的には圧力＝０）と水源８ａ，８ｂ，８ｃの水面を押す圧力（大気圧）との差により、絶対真空部２ａ側に水が吸引されることになる。この関係は、パイプライン３の長さに関係しない。そのため、貯水池１から遠隔地にある水源８ａ、８ｂ、８ｃからでも貯水池１に水を集約して給水することができる。

ここで、パイプライン３は、水平線上に張り巡らす例を示したが、図２に示すように、実際に敷設する場合には多少の高低差がある。水平線上のパイプライン３を基準に考えた場合、水平線よりも高い位置にある水源８ｂは、その位置エネルギーを利用して水平線上のパイプライン３に送水することができる。

水平線よりも低い位置の水源８ａ、８ｃは、絶対真空部２ａの圧力（理論的には圧力＝０）と水源８ａ，８ｃの水面を押す圧力（大気圧）との差により、絶対真空部２ａ側に水が吸引されることになるから、理論的には１０ｍ３３ｃｍの高低差があったとしても吸引することができる。

実際には、絶対真空部２ａの吸引力は、水に気泡が混入して絶対真空部２ａに供給されることで、絶対真空部２ａの圧力が上がることも想定されるので、貯水池１と水源８との高低差は３ｍ程の許容値を持たせて７ｍ以内とするのが理想的である。そして、水源８の位置がこれに満たない場合は、水源８の水をポンプアップするなどして、許容範囲に入るように設定すればよい。

例えば、図２に示すように、水深６ｍの水源８ａの場合、その許容値（７ｍ）を考慮したとしても、全量の水を吸引して貯水池に給水することができる。また、水深１５ｍで、水面が水平線よりも３ｍだけ下側にある水源８ｃの場合でも、絶対真空部２ａの圧力（理論的には圧力＝０）と水源８ｃの水面を押す圧力（大気圧）との差により吸引するので、実用的にも問題なく水源８ｃの水を貯水池１側に吸引して供給することができる。

このように、本発明においては、真空塔２内に絶対真空部２ａを形成し、この絶対真空部２ａの真空吸引力を利用して各地の水源８ａ，８ｂ，８ｃから水を吸引して貯水池１に集約することができる。このとき、絶対真空部２ａをトリチェリの真空の原理を利用して真空塔２の上部に一旦形成すれば、その後、何ら動力を用いる必要もなく、各地の水源８ａ，８ｂ，８ｃの水を効率よく吸引することができ、コスト面でも大幅に低減することができる。

次に、パイプライン３を通って真空塔２の接続口２ｂから真空塔２内に吸引された水は、真空塔２内の水位を上昇させつつ、一部は貯水池１側に流れることになるが、この場合でも、トリチェリの真空の原理が作用しており、真空塔２内の水柱２の水位Ａは常に一定を保とうとする。そのため、貯水池１の水面の上昇に伴い、真空塔２の水柱の絶対水位も上昇することになる。絶対真空部２ａの容積は常に一定に確保しておくことが好ましく、その基準としては、接続口２ｂが水柱１５によって閉塞されない程度が好ましい。

このような絶対真空部２ａの容積を確保するためには、貯水池１の水面高さを調節する必要がある。それには、水源８ａ、８ｂ、８ｃから貯水池１に供給された水の増加によって貯水池１の水位が上昇したときに、水位調節弁６を開弁して貯水池１の水を第２の貯水池７側に落水させ、貯水池１の水位を所定のレベルに調節すればよい。

このように、底部が貯水池中に開放した真空塔と各地の水源とをパイプラインを介して接続して給水路を構成し、真空塔内に形成した絶対真空部における真空吸引力を利用して水源からパイプラインを通して水を吸引し、吸引した水を貯水池に供給するので、ポンプなどの駆動源を使用しなくても、貯水池から数十ｋｍ〜数千ｋｍも離れた水源からでも簡単かつ安価に給水を行うことができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で多くの修正・変更を加えることができるのは勿論である。例えば、上記実施形態では円筒状の真空塔を例示したが、これに限らず球状の真空塔であってもよい。また、貯水池の水位を調節する手段として水位調節弁を例示したが、貯水池の側壁にオーバーフロー用の穴を形成し、貯水池の水位が一定以上にならないように調節することもできる。

以上のとおり、本発明に係る給水方法によると、貯水池から数十ｋｍ〜数千ｋｍも離れた水源からでも簡単かつ安価に給水を行うことができ、その給水方法を灌漑用あるいは砂漠の緑化用として利用することができる。

本発明の給水方法を実施するための給水施設を示す概略図 貯水池と水源とのパイプライン敷設状態を示す概略側面図 貯水池と水源とのパイプラインを網目状に張り巡らせた状態を示す平面図

符号の説明

１ 貯水池
２ 真空塔
２ａ 絶対真空部
３ パイプライン
４ 頂部弁
５ 底部弁
６ 水位調節弁
７ 第２の貯水池
８ａ、８ｂ、８ｃ 水源
９、１０ 水路
Ａ 真空塔内の水位
Ｂ 高低差

Claims (3)

1. 真空塔と各地に存在する水源とをパイプラインを介して接続する給水路を構成し、前記真空塔内を満水にした後、真空塔の底部を貯水池に浸した状態で開放することで前記真空塔内にトリチェリの真空の原理により絶対真空部を形成し、該真空部における真空吸引力を利用して前記各地の水源からパイプラインを通して水を吸引し、前記貯水池に供給することを特徴とする給水方法。
2. 前記真空塔の頂部に頂部弁を設け、前記頂部弁の開放状態で前記真空塔内に水を充填した後、頂部弁を閉じ、真空塔内と貯水池とを連通することを特徴とする請求項１記載の給水方法。
3. 前記貯水池の水位を水位調節手段により調節することにより、真空塔内の水位を所定レベルに調節することを特徴とする請求項１又は２記載の給水方法。

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