JP4075009B2 - 酸素溶解装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水の中の溶存酸素を増やすための酸素溶解装置であり、例えば水耕栽培に用いられる水や、養魚場に用いる水の溶存酸素を増やすための装置である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば植物の根は、本来、土に根を張ると共に、土の中の酸素を吸収するのであるが、水耕の場合、根が水に浸った状態なので水中の溶存酸素を吸収することとなる。そのため、水耕栽培に用いられる栽培水は溶存酸素の多いものが好適である。しかし一般に栽培水として用いられる水は地下水、ダムなどの溜め池からの水、水道水などであるが、これらは元々が還元水である雨水であり、しかもこの雨水が一種の蒸留水であるが為にその溶存酸素が少ないのである。そしてこの栽培水の溶存酸素が少なくなると植物が弱り、最終的には根が腐るなどしてしまう。
【０００３】
そのため栽培水の溶存酸素を増す工夫が成されており、例えば曝気による方法がある。これは水に空気の吹き込みや攪拌などをして、水中に酸素を供給するものである。具体的には水中曝気（エアレーション、エグゼクション、散気管法）、水面での機械曝気（水車など）、気液混合微細気泡（キャビテーション）、空気弾放出（高圧コンプレッサー）、加圧ポンプなどである（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
最も一般的な方法である水中曝気は、動力ポンプによりエアーパイプで空気を水中に送り、空気の気泡を生じさせることにより、酸素の溶解を行うものである。
【０００４】
例えば水温１８℃の場合、自然水では溶存酸素が４〜５ＤＯで飽和となるが、漠気によれば８〜９ＤＯで飽和となる。ただこれ以上に濃度を上げることはできない。それは、空気で曝気すると、空気は窒素が大半であり、酸素は２０％程度しかないために、上記の様な数値が酸素溶解の飽和値となるのである。
【０００５】
従って窒素などによる影響を受けない様に、空気ではなく酸素ガスを用いて水中曝気することも試みられている。ただ水中に放出された酸素はその一部しか溶解せず、あとは気泡となって水面に浮上し、大気中に放出されてしまう。そのためこの放出された酸素を回収して再利用する工夫も成されている。例えば水面をうつ伏せた容器で覆い、この容器の下で酸素による水中曝気をすれば、溶解しなかった酸素は気泡となって水面に浮上してこの容器の中に溜まるので、これを回収して再利用するのである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−７９３９８号公報
【特許文献２】
特開２００１−３４７２９３号公報
【特許文献３】
特開２００１−４７０８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、再利用するにはそれなりの設備が必要であり、そのため余り普及しておらず、従来からの空気による水中曝気が依然として主流の方法である。
【０００８】
しかしこの方法は、先にも述べた様に空気中の大半を占める窒素の溶解を伴うために、酸素の溶解に限度がある。
【０００９】
以上の問題を鑑み、本願発明の目的とするところは、酸素ガスを用いた溶解により溶存酸素を高めることのできる酸素溶解装置であって、動力を必要とせず、軽微な装置で高い溶解性能の得られる酸素溶解装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段と発明の効果】
以上の課題を解決するため本願請求項１記載の発明は、送水管と、この送水管の管壁に設けられた管内外を連通させる間隙と、この間隙の外側に酸素を供給する酸素供給手段と、前記間隙の外側の酸素圧力を前記間隙の内側の送水圧力より相対的に小さくする圧力調整手段とを有することを特徴とする酸素溶解装置である。
これによれば、送水管に水を流すことにより、送水管の管壁に設けられている間隙には水流による負圧が生じる。その為、酸素供給手段により間隙の外側に酸素が供給された状態で送水すると、負圧により酸素の水への溶解が容易に成される。従って、送水管内の流速と、内外の圧力は溶解させたい程度により適宜調整される。また間隙の大きさなども必要に応じて設けられる。
なお、送水管内側が外側より圧力が高いのであるが、逆に外側の方が圧力が高いと、酸素は溶解するのではなく、気泡となって送水管に混入してしまい、溶解しにくくなる。
【００１１】
また請求項１記載の発明では、酸素供給手段が、間隙の外側に酸素室を形成する様に覆う酸素容器と、前記酸素室に酸素を送る酸素供給管とを有することを特徴としている。
実施例の図を用いて説明すると、図４に示されている様に間隙の設けられている箇所を、一例としてこの箇所より径の大きな管状の酸素容器で覆い、この酸素容器を水密にすることにより酸素室の一例が形成できる。そしてこの酸素室に連通する酸素管により酸素を充満させることにより、酸素の間隙への供給が成される。
【００１２】
また請求項１記載の発明は、酸素供給管の途中に中継タンクを介在させると共に、送水管における間隙の後流位置に設けるエアーアウトと、このエアーアウトから前記中継タンクに配管された回収管を有することを特徴とするものである。
酸素を間隙から溶解させるときにも、溶解せずに気泡として混入するものが多少あるが、この様な気泡を実施例の図１に例示される様なエアーアウト（空気抜き）により回収して、再度、溶解に用いるためである。
【００１３】
また請求項１記載の発明は、圧力調整手段が、送水管に給水する給水圧の調整、及び／又は、酸素供給管に給気する給気圧の調整によることを特徴としている。 これにより、水圧と酸素圧との相対的な大小関係を調整することができ、つまり間隙内側の水圧を、間隙外側である酸素室の酸素圧より大きくすることができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、間隙が、送水管の途中を窄めた窄み部に設けられたことを特徴とするものである。
送水管は、この様な窄み部を設けると流速が早くなるが、その為に負圧が増し、酸素の溶解が促進される。
【００１５】
【００１６】
特に請求項３記載の発明では、請求項２に従属する場合には、その窄み部が接続部分にもなっており、間隙が、この接続部分にすき間を空けて形成されたことを特徴とするものである。
送水管はその径が小さくなるほど、送水管の単位断面積あたりの円周長（円周長／断面積）が長くなる。一方、円周の長さが間隙の長さになるので、つまり径の小さいほど単位面積あたりの間隙が長くなる。更に間隙の長さが酸素の溶解量に比例し、また水の流量は単位面積に比例するので、要するに、径の小さいほど単位流量当たりの溶解量が大きくなるのである。
そのために、窄み部と接続部分のすき間による間隙とを同じ箇所に設けると、流速が早められることによる負圧の増大により酸素の溶解が促進されると共に、窄むことにより形成される小さな径により、単位流量当たりの溶解量が増し、これらが相俟って高い濃度の溶存酸素がえられる。
また請求項３が請求項１に従属する場合には、請求項３の記載の通り「酸素容器が、送水管の接続部分の接続器を兼ねる」のである。
【００１７】
請求項４記載の発明は、酸素容器が、送水管の接続部分の接続器を兼ねることを特徴とするものである。
例えば実施例の図２に例示される様に、接続部分が酸素室３６内となる配置で管材１０，５０や、これらの接続部材のとしての接続口２０，４０を酸素容器に固定することにより、酸素容器が送水管の接続器を成すなどするものである。この際に、例えば管材の端口同士にすき間を空けて間隙を形成するなどすれば請求項３記載の発明の１実施態様となる。
これにより、酸素室の形成が、間隙の形成と送水管の接続部分の形成と共に同時に行える。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本願発明の酸素溶解装置（以下、本装置）の実施例を説明する。
図１に示すのは、本装置を含む酸素溶解システムの略図である。即ち、まず井戸１００と、井戸１００から地下水を汲み上げるモーターポンプ１１０と、汲み上げた地下水を溜める水源としての圧力タンク１２０とが設けられている。圧力タンク１２０は２ｋｇ／ｃｍ2に圧力に保たれ、止水弁１３０が開かれて給水される場合には、その給水圧が２ｋｇ／ｃｍ2と成る様になっている。送出して圧力タンク１２０の圧力が低下すると、これを検知してモーターポンプ１１０が駆動する様になっており、これにより汲み上げた地下水で圧力タンク１２０の圧力が２ｋｇ／ｃｍ2に回復すると、モーターが止まる様になっている。なお井戸１００の近くに設置する圧力タンク１２０は、本装置を設置するハウスや養魚場から離れていることがあるので、離れた場所に送水する間に配管による送水抵抗で給水圧が減圧することがあるので、これを考慮して高めに圧力に設定しても良い。例えば圧力タンク１２０と本装置が１００ｍ離れるのであれば、圧力タンクを３ｋｇ／ｃｍ2程度にしておくことにより、１００ｍ先に本装置では丁度、２ｋｇ／ｃｍ2に圧力に保たれるのである。
【００１９】
この圧力タンク１２０からは、止水弁１３０を介して基管２００が配管され、その先で２本の枝管２１０，２１０に分岐されている。枝管２１０には枝管用止水弁２１１が設けられ、その後流位置には、本装置の主要部分Ａが、図１に示す様に配置されている。
【００２０】
即ち、この主要部分Ａは、図２に示す様に太さの異なる２本の管材１０，５０の接続部分であり、上流側に位置する管材１０（以下、「上流管１０」）が、下流側に位置させる管材５０（以下、「下流管５０」）よりも太くなっている。
そして上流側から、上流管１０と、テーパー状の上流接続口２０と、酸素容器３０（接続器３０を兼ねる）と、下流接続口４０と、下流管５０とがこの順で接続されており、つまり隣接する前記の各部材１０，２０，３０，４０，５０同士が図２に示されている様に螺合し合っている。
【００２１】
上流接続口２０は図３に示す様に円筒状を成し、中央には鍔状のストッパー２１が形成されている。
このストッパー２１を境にした一端側２０Ａが、上流管１０の内側に螺合する部分であり、この円筒外周にネジ２２が形成されて、上流管１０の端部内側に設けられたネジ１１に螺合する様になっている。またストッパー２１の他端側２０Ｂは、窄んでいて窄み部２３を形成する様になっており、窄み部の先端２４は次に述べる下流接続口４０にすき間を空けて接続される様になっている。またこの他端側２０Ｂは、ストッパー２１に近接した窄んでいない部分の外周にネジ２５が形成され、酸素容器３０が螺合できる様になっている。
【００２２】
酸素容器３０は、図２に示す様に上流接続口２０の外周に螺合できる内径を有した円筒状を成しており、図４に示す様に、その一端３０Ａの内筒部分には、上流接続口２０に螺合させる為のネジ３１が形成されている。また他端３０Ｂは、この他端の開口を塞ぐ用に構成されたリング部３２がこの他端３０Ｂと一体的に形成されていて、リング部中央には、下流接続口４０を螺合させるためのリング穴３３が、穴内部にネジを備えた状態で形成されている。また酸素容器３０の筒壁３４には、酸素を供給するための酸素管９２ｂを図５に示す様に接続するための接続穴３５が、円筒の軸に対する対称位置に２つ形成されている。なお、酸素室３６へ１本の酸素管は、途中で２分岐されて２つの接続穴３５，３５に接続されるが、図１ではこの２分岐を省略して示してある。
【００２３】
下流接続口４０は図３に示した様に円筒状を成し、中央には鍔状のストッパー４１が形成されている。
このストッパー４１を境にした一端側４０Ａが、下流管５０の内側に螺合する部分であり、この円筒外周にネジ４２が形成されて、下流管５０の端部内側に設けられたネジ５１に螺合する様になっている。またストッパー４１の他端４０Ｂは、上流接続口２０の窄み部先端２４を収納できる円形の収納穴４３が形成されている。なお、上流側の窄み部の先端２４はその外径が１２mmに形成され、これを収納する下流側の収納穴４３は内径１３mmに形成されている。その為に、窄み部先端２４を収納穴４３に収納したときには、収納穴４３の内周面と先端部の外周面の間には、図２に示されている様にすき間ができる。下流接続口４０の他端４０Ｂは、ストッパー４１に近接した部分の外周にネジ４４が形成され、酸素容器３０が螺合できる様になっている。
【００２４】
間隙Ｋは、２本の管材１０，５０が直列接続される送水管の接続部分にすき間を空けて形成されている。即ち、以上の様にして、上流接続口２０と下流接続口は４０、酸素容器３０の両端から酸素容器３０の中に挿し込む様にして、この酸素容器３０に螺合させるのであるが、螺合しながら挿し込む時の差し込み深さが、それぞれに設けられているストッパー２１，４１により規制されている。この規制されている挿し込み深さは、挿し込み切った時には、上流側の先端２４が下流側の収納穴４３に収納されながらも、その先端２４は収納穴４３の底部４５には突き当たらず、突き当たる手前ですき間を空けた状態で挿し止まる様に形成されている。また先端２４の外周面２６と収納穴４３の内周面４６も、先に述べた様にすき間が空いており、要するに、上流側の窄み部先端２４と、下流側の収納穴４３との間には、すき間が空いて間隙Ｋを形成する様になっているのである。
【００２５】
酸素室３６は、上流接続口２０及び下流接続口４０と、この周囲を囲む酸素容器３０との間の空間部分であり、間隙Ｋ以外の部分は気密になっている。
【００２６】
なお、上流管１０、上流接続口２０、酸素容器３０、下流接続口４０、下流管５０の組み立て順序は上記の説明順である必要はなく、どの様でもいい。例えば上流接続口２０、酸素容器３０、下流接続口４０の３点を先に螺合して組み立てこれを酸素溶解器６０（図５参照）とし、上流管１０にこの酸素溶解器６０の上流接続口２０を螺合させ、この酸素溶解器６０の下流接続口４０に下流管５０を螺合させる手順であってもよい。またここでは、酸素容器３０を除く上流管１０、上流接続口２０、下流接続口４０、下流管５０で送水管を構成している。つまり、端部に上流接続口２０の螺合された上流管１０と、端部に下流接続口４０の螺合された下流管５０とは、酸素容器３０により接続されているといえるのであり、つまり酸素容器３０は上流側と下流側の管材の接続器でもあるのである。
【００２７】
以上の様な、本装置の主要部分Ａの後流にはエアーアウト７０が配置されている。これは送水中の気泡を取り除く為のものであり、市販されているものである。このエアーアウト７０は、図示しないが概ね円管状を成し、この円管の上壁７１が山形に形成され、この山形となった内側の頂上部分に、溶解することなく混入した酸素の気泡が集まる様になっている。そして、エアーアウト７０の上に位置する排出口７２からは後述する中継タンク８０に配管された回収管７３が引き出されている。またエアーアウト７０を介在させる送水管は、上流側よりも下流側を太くしてある。こうすることにより、水中の気泡がエアーアウト７０の頂上部分に上がりやすくなるからである。
【００２８】
以上の構成による枝管は、下流で合流して再び基管２００となり、この基管２００に設けられたエアーアウト７０’で回収漏れとなっている酸素の気泡をもう一度回収し、これも回収管７３’を経て中継タンク８０に回収する様になっている。
【００２９】
また酸素の供給は次の様になっている。
まず、酸素は液体酸素ボンベ９０から供給される様になっている。この時、酸素ボンベ９０に設けられている減圧弁９１により、給水圧の２ｋｇ／ｃｍ2よりも低い０．５ｋｇ／ｃｍ2の給気圧に成る様に調整されている。この様な酸素ボンベ９０からの酸素は、酸素管９２ａ、中継タンク８０、再び酸素管９０ｂの順で接続された配管により、酸素容器３０に設けられている接続穴３５をへて、酸素室３６に供給される様になっている。中継タンク８０から酸素室３６に配管される酸素管９２ｂは、その中継タンク８０側の端部に逆止弁９３が設けてあり、酸素室３６から漏れた水が酸素管９２ｂを通って中継タンク８０の中に流れ込まない様になっている。
【００３０】
中継タンク８０は単なる中空のタンクである。この中継タンク８０には、酸素ボンベ９０からの酸素管９２ａと、これを２本の枝管の酸素室３６，３６に送り出す２本の酸素管９２ｂ，９２ｂと、２本の枝管のエアーアウト７０，７０からの回収管７３，７３と、基幹のエアーアウト７０’からの回収管７３’との、計５本が接続されている。従ってこれら５本の各管９２ａ、９２ｂ，９２ｂ、７３，７３，７３’と中継タンクは、酸素ボンベ９０の減圧弁９１で設定された０．５ｋｇ／ｃｍ2の気圧に保たれている。
【００３１】
次に本装置の使用方法を説明する。
まず、まず最初に酸素ボンベ９０の栓を開き、減圧弁９１をへて、０．５ｋｇ／ｃｍ2の気圧に設定された酸素が、中継タンク８０に満たされ、その先の送水管としての枝管外側に取り付けられている酸素室３６に送られる。この状態で圧力タンク１２０の止水弁１３０を開くと、圧力タンク１２０から２ｋｇ／ｃｍ2
の給水が送水管としての基管２００に成され、これが更に送水管としての枝管２１０，２１０に分岐して、本装置の主要部分Ａを流れることとなる。
【００３２】
即ち、まず上流管１０に送水された水は、上流管端部の上流接続口２０による窄み部２３で流速が高められる。そして上流接続口２０から下流接続口４０へと送水が成される。この時、上流接続口２０と下流接続口４０との間にはすき間があり、これが本願の間隙Ｋを成しており、管内の水と、管外である酸素室の酸素とが接触することになる。しかも、窄み部先端２４での管内は、この窄み部２４で流速の高められた水流が流れているために負圧が生じ、これにより酸素室３６の酸素の、管内の流水への溶解が促進されることとなる。
【００３３】
酸素室３６の酸素が溶解してゆくと、酸素ボンベ９０から順次酸素が中継タンク８０を介して供給されることとなる。また圧力タンク１２０からの給水が継続すると圧力タンク１２０内の圧力が下がるが、下がるとポンプ１１０が始動され、地下水を汲み上げて所定の水圧となるまでタンク１２０を満たす。
【００３４】
なお酸素の一部は溶解せずに、間隙Ｋから気泡として混入してしまう。しかしこれは後流位置のエアーアウト７０で集められ、エアーアウト７０の排出口７２から中継タンク８０に回収される。送水管の中は給水圧と同じ２ｋｇ／ｃｍ2 であり、一方、中継タンク８０は０．５ｋｇ／ｃｍ2であるため、圧力の高いエアーアウトから圧力の低い中継タンク８０に吸引され、溶解しなかった酸素が自動的に回収されるのである。基管２００のエアーアウト７０’からも同様に気泡となった酸素が回収される。
この様にして酸素を溶解させることにより、溶存酸素の量の多い水を得ることができる。
【００３５】
なお、送水を止めると、高い水圧の送水管からは、低い気圧の酸素室３６に水が漏れることとなる。そして酸素室３６を満たして水は酸素管９２ｂに浸水して中継タンク８０へと向かう。しかし酸素管９２ｂには、中継タンク８０の手前で逆止弁９３が設けられているので、水の中継タンク８０への流入は阻止される。
【００３６】
この様な状態で、再度、送水を開始すると、上記同様に間隙Ｋに負圧が生じ、酸素室３６を浸水させている水を送水管の中に吸引することとなる。最終的には中継タンク８０の手前まで浸水していた水を全て吸引し、酸素室３６には再度酸素が充満され、負圧による酸素の溶解が成されるのである。
【００３７】
従来の大気で曝気をする方法によると、水温１８℃で溶存酸素量が８〜９ＤＯ程度である。しかし、以上の本装置によると、酸素室の酸素圧を０．５ｋｇ／ｃｍ2 とした場合、同じ１８℃の水に対して溶存酸素は２０ＤＯと高濃度が得られた。また同じ水温の水で、酸素室の酸素圧を１．０ｋｇ／ｃｍ2 にすると約３０ＤＯの高濃度が得られた。この様な、得たい溶存酸素量は酸素圧を変えたり、あるいは水圧と酸素圧の両方を調整することにより調整することができる。
【００３８】
また従来のバッキの様に水中漠気の様なエアーポンプやモーターなどの動力を必要とせず、水車の様な機械部分も必要としない。
【００３９】
なお本願発明は上記実施例に限るものではなく、本願発明の趣旨から逸脱しない範囲でどの様に実施されても良い。
本装置により酸素を溶解させた水を用いる対象は水耕や養魚場に限るものではなく、何を対象としてもよい。
大量の水に酸素を溶解しようとするのであれば、例えば実施例で２本の枝管を平行に設けて各々に本装置を設けたのであるが、この平行に設ける枝管の本数を増やすなどしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この図は、本願発明の酸素溶解装置を用いた酸素溶解システムの概要図である。
【図２】 この図は、酸素溶解装置の主要部分の説明図である。
【図３】 この図は、上流接続口と下流接続口の説明図である。
【図４】 この図は、酸素容器の説明図である。
【図５】 この図は、酸素溶解装置の主要部分の説明図である。
【符号の説明】
１０ 送水管の一部である上流管
２０ 送水管の一部である上流接続口
２１ ストッパー
２３ 窄み部
２４ 先端
３０ 酸素容器
３６ 酸素室
３５ 酸素管の接続穴
４０ 送水管の一部である下流接続口
４１ ストッパー
４３ 収納穴
４５ 収納穴の底部
５０ 送水管の一部である下流管
６０ 酸素溶解器
７０、７０’ エアーアウト
７３、７３’ 回収管
８０ 中継タンク
９０ 酸素ボンベ
９１ 減圧弁
９２ａ、９２ｂ 酸素管
９３ 逆止弁
１１０ モーターポンプ
１２０ 圧力タンク
２１０ 送水管としての枝管

Claims (4)

1. 送水管と、この送水管の管壁に設けられた管内外を連通させる間隙と、この間隙の外側に酸素を供給する酸素供給手段と、前記間隙の外側の酸素圧力を前記間隙の内側の送水圧力より相対的に小さくする圧力調整手段とを有し、
   前記酸素供給手段は、間隙の外側に酸素室を形成する様に覆う酸素容器と、前記酸素室に酸素を送る酸素供給管と、この酸素供給管の途中に介在させた中継タンクと、送水管における前記間隙の後流位置に設けるエアーアウトと、このエアーアウトから前記中継タンクに配管された回収管と、を有し、
   前記圧力調整手段は、少なくとも酸素供給管に給気する給気圧の調整によることを特徴とする酸素溶解装置。
2. 間隙は、送水管の途中を窄めた窄み部に設けられたことを特徴とする請求項１記載の酸素溶解装置。
3. 間隙は、送水管の接続部分にすき間を空けて形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の酸素溶解装置。
4. 酸素容器が、送水管の接続部分の接続器を兼ねることを特徴とする請求項３記載の酸素溶解装置。

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