JP4321770B2 - 気泡除去装置を備えた回流水槽 - Google Patents

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Description

この発明は、水槽内の水を送流用インペラで強制的に循環させて、計測部内に一定方向の水流を生じさせる回流水槽に係り、特に、回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去する気泡除去装置を備えた回流水槽に関するものである。
従来、上面が開口され自由表面を有する計測部を備えた回流水槽においては、気泡を巻き込む部分である計測部下流の水面が接する天板の形状を検討して、如何に波崩れを少なくして気泡の巻き込みを少なくするか検討されている。生成された気泡を回収するための装置としては、各コーナー部の気泡ボックスの設置がある。ただし、この気泡ボックスでは、水面近傍の気泡が対象であり、水中に混入した気泡は、浮上するまで流れ去って、回収効果としては有効ではない。
また、上面が閉塞され自由表面を有しない計測部を備えたキャビテーション試験用回流水槽においては、キャビテーション試験によって生成した100μm以上の気泡を回収する方法として、水槽内に多数枚の屋根型の板を設置して、中央部にある屋根の頂きに集められ吸い込み管で回収して除去する装置が考案されている。しかし、この方式では、中央部の屋根の頂きに集められるまでの気泡の経路長さが長くて、頂きに到達するまでに流れ去る可能性がある。特に、流路長さをとれない小型のキャビテーション試験用回流水槽においては、不利である。
回流水槽において、上面が開口され自由表面を有する計測部に置いた供試体や前述したように計測部下流の水面が接する天板で気泡を巻き込み、回流後に計測部に気泡群となり流れて、著しく可視化実験を阻害する。
また、気泡が混入することにより気液全体の容積が増加して、計測部の水位と流速の不安定な変動(サージング)の原因となることや、水中の全気泡体積の増加により水のみかけの密度が小さくなり、流体力の評価に弊害をもたらす。
他方、回流水槽と同様な回流形式である自由表面を有しないキャビテーション試験用回流水槽においては、キャビテーション試験時、キャビテーションの発生に大きく影響する微少な気泡(気泡核と称する。以後、気泡核は広義で気泡とする。)の個数が問題になる。すなわち、キャビテーション試験前あるいは試験中に気泡核を制御することにより、より実機のキャビテーションに近いキャビテーション試験が可能となる。この気泡核の制御のためには、気泡核を除去する前提が必要となる。
この発明は、上記のような課題に鑑み、その課題を解決すべく創案されたものであって、その目的とするところは、回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去して、気泡の影響を受けない実験を行うことのできる気泡除去装置を備えた回流水槽を提供することにある。
以上の目的を達成するために、請求項1の発明は、水槽内の水を送流用インペラで強制的に循環させて、計測部内に一定方向の水流を生じさせる回流水槽において、送流用インペラと適宜間隔をあけてその下流側の連通管路の水流方向に直角な断面方向に、格子の対角線の一方向が上下方向になるように格子桁を斜めに配置し、斜め格子桁の各稜線上に浮上する気泡を吸引する気泡吸引支管を各稜線の下流側に配置すると共に気泡吸引支管の吸引口を上流側に向けて臨ませて配置し、上下方向の対角線の同一延長線上の各気泡吸引支管を連通管路の外側に向けて上向きに延設された気泡吸引集合管に連通接続し、気泡吸引集合管を通じて吸引された気泡を含む水から脱気する脱気装置を設け、脱気装置で脱気後の水を回流水槽に再び戻す手段よりなるものである。
また、請求項2の発明は、水槽内の水を送流用インペラで強制的に循環させて、計測部内に一定方向の水流を生じさせる回流水槽において、送流用インペラと適宜間隔をあけてその下流側の連通管路の水流方向に直角な断面方向に、格子の対角線の一方向が上下方向になるように格子桁を斜めに配置し、斜め格子桁の各稜線上に浮上する気泡を吸引する気泡吸引支管を各稜線の下流側に配置すると共に気泡吸引支管の吸引口を上流側に向けて臨ませて配置し、上下方向の対角線の同一延長線上の各気泡吸引支管を連通管路の外側に向けて上向きに延設された気泡吸引集合管に連通接続し、送流用インペラのボスキャップ下流に形成されるハブ渦の中心部に集まる気泡を吸引する気泡吸引管をボスキャップ下流に配置すると共に気泡吸引管の吸引口をボスキャップに向けて臨ませて配置し、上記気泡吸引集合管を通じて吸引された気泡を含む水及び連通管路の外側に向けて上向きに延設された上記気泡吸引管を通じて吸引された気泡を含む水からそれぞれ脱気する脱気装置を設け、該脱気装置で脱気後の水を回流水槽に再び戻す手段よりなるものである。
以上の記載より明らかなように、請求項1の発明に係る気泡除去装置を備えた回流水槽によれば、斜め格子桁によって送流用インペラの旋回流を減少させ、斜め格子桁を通過した気泡が、格子の各稜線上に気泡が集約して、下流の気泡吸引支管を介して気泡吸引集合管で気泡を含んだ水を吸い込んで、回収することで、回流水槽内の気泡を除去することができる。
また、請求項2の発明に係る気泡除去装置を備えた回流水槽によれば、上記の効果に加えて、水糟内の水を循環する送流用インペラ後流のハブ渦が、効率良く気泡を収集し気泡吸引管より、回収することで、回流水槽内の気泡を更に除去することができる。
これらの結果、回流水槽においては、気泡による可視化試験の阻害や流体力計測に影響する密度の変化を防ぐことができる。また、キャビテーション試験用回流水槽においては、キャビテーションに影響する微少な気泡である気泡核を除去することにより、安定したキャビテーション試験や気泡核を制御したキャビテーション試験が可能となる。
以下、図面に記載の発明を実施するための最良の形態に基づいて、この発明をより具体的に説明する。
ここで、図1は気泡除去装置を備えた回流水槽の概略全体側断面図、図2は脱気塔の概略構成図、第3図は斜め格子桁の一部切り欠き拡大斜視図、第4図は斜め格子桁の一部切り欠き部分側面図、図5は送流用インペラ周辺の拡大構成図である。
図において、気泡除去装置を備えた回流水槽は、回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去できるようにしたもので、水槽内の水を強制的に循環させて水槽内に一定方向の水流が生じる回流水槽1、水槽内の水を強制的に循環させて一定方向の水流を生じさせる送流用インペラ2、送流用インペラ2の下流側に設けられ回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去する斜め格子桁利用気泡除去装置3、ハブ渦利用気泡除去装置4などから構成されている。
回流水槽1は例えば垂直型タイプつまり上下回りに循環する回流水槽からなり、その上部側には各種の実験を計測する計測部11が設けられている。図面では計測部11はその上面が開口されていて自由表面を有するが、回流形式であるが自由表面を有しないキャビテーション試験用回流水槽においては計測部11の上面は閉塞されている。
計測部11内の長手方向の一端面側には、計測部11内に循環流入する水の流入口が開口されている。又流入口と相対向する他端面側には、計測部11内を流れた水を排出する排出口が開口されている。これら流入口及び排出口が形成された計測部11両端の外側には、流入管路12及び排出管路13が各々設けられている。
流入管路12及び排出管路13はその先端側が各々下側方向に向かって約90度湾曲されたコーナー部15,15がそれぞれ形成されており、下方に向かって湾曲された先端側は内向きの水平方向に向かって約90度湾曲されたコーナー部15,15がそれぞれ形成されて、計測部11の下方に配設された連通管路14の端部と接続されている。
回流水槽1の各コーナー部15には、ガイドベーン16が設けられている。ガイドベーン16はコーナー部15での水の流れ方向をスムーズに変える機能を果たすものである。
連通管路14の内部には水槽内の水を強制的に循環させて一定方向の水流を生じさせる送流用インペラ2が取り付けられている。この送流用インペラ2のインペラシャフト22は、連通管路14の外側に延びていて、排出管路13の外側下部に設置されたモーター21に連動連結されている。インペラシャフト22は送流用インペラ2の上流に配置されたシャフト軸受用ステーター23に回転自在に軸支されている。
そして、回流水槽1は、これらの流入管路12、排出管路13、連通管路14、各コーナー部15、各コーナー部15に設けられたガイドベーン16、並びに送流用インペラ2などによって、計測部11内に流れを起こさせる水の循環経路が構成される。
斜め格子桁利用気泡除去装置3は、回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去するもので、送流用インペラ2と適宜間隔をあけてその下流側の連通管路14に配置された斜め格子桁31、斜め格子桁31の各稜線31a線上に浮上する気泡aを吸引する気泡吸引支管32、上下方向の対角線の同一延長線上の各気泡吸引支管32が連通接続された気泡吸引集合管33、気泡吸引集合管33を通じて吸引された気泡を含む水から脱気する脱気装置5などから構成される。脱気装置5はハブ渦利用気泡除去装置4の脱気装置も兼ねている。
斜め格子桁31は、送流用インペラ2と適宜間隔をあけてその下流側の連通管路14の水流方向に直角な断面方向に配置されている。斜め格子桁31は、格子の対角線の一方向が上下方向になるように格子桁を斜め、つまり格子の四角の一つが正面から見て「×」型の稜線31aになるように配置されている。気泡aは各格子の両側の内壁面が稜線31aに向かって逆V字状になっている両内壁面に沿って稜線31aに向かって浮上する。これにより、稜線31a線上に浮上した気泡aを効率良く集約することが可能となる。
斜め格子桁31は送流用インペラ2による旋回流を抑える整流効果も有する。斜め格子桁31が整流効果を有するためには、斜め格子桁31の長さ(=L)と格子セルの水力直径の比を6以上とる事とする。水力直径とは、4×セルの流路面積/濡れ縁長さで、セル形状が正方形の場合の水力直径は1辺の長さとなる。斜め格子桁31のセル形状は、通常正方形状を基本形状とするが、矩形状あるいは稜線31aを小さく菱形状でも効果を有する。
気泡吸引支管32は、斜め格子桁31の各稜線31a線上に浮上する気泡aを水と共に常時吸引して吸い上げて除去するもので、例えばパイプ状のものが使用されている。各気泡吸引支管32は斜め格子桁31の下流側に配置されている。又各気泡吸引支管32の先端側の吸引口32aは上流側に向けて臨むように配置されている。
気泡吸引集合管33には、斜め格子桁31の上下方向の対角線の同一延長線上にある上下の各気泡吸引支管32の基端がそれぞれ連通接続されている。同一延長線上にある上下の各気泡吸引支管32で吸引された気泡aを含む水は同一の気泡吸引集合管33に集められて上方に吸い上げられる。
気泡吸引集合管33は連通管路14の幅方向に複数に配置されており、又各気泡吸引集合管33は連通管路14の外側に向けて上向きに延設されており、泡吸引集合管33によって上方に吸い上げられた気泡aを含む水は連通管路14の外側に送り出される。連通管路14の外側に延びた各気泡吸引集合管33はポンプ33aを介して脱気装置5に連通している。
ハブ渦利用気泡除去装置4は、回流中に生成された気泡或いはキャビテーション試験によって生成した気泡を除去するもので、送流用インペラ2のボスキャップ下流に形成されるハブ渦bの中心部に集まる気泡aを吸引する気泡吸引管41、気泡吸引管41を通じて吸引された気泡を含む水から脱気する脱気装置5などから構成される。脱気装置5は前記の如く斜め格子桁利用気泡除去装置3の脱気装置も兼ねている。
気泡吸引管41は、送流用インペラ2のボスキャップ24下流に形成されるハブ渦bの中心部に集まる気泡aを吸引するもので、ボスキャップ24下流に配置されている。気泡吸引管41の吸引口41aはボスキャップ24に向けて臨ませて配置されている。気泡吸引管41は連通管路14の外側に向けて上向きに延設されており、気泡吸引管41によって上方に吸い上げられた気泡aを含む水は連通管路14の外側に送り出される。連通管路14の外側に延びた気泡吸引管41はポンプ41bを介して脱気装置5に連通している。
送流用インペラ2のボスキャップ24下流には、強い旋回流が集中してハブ渦bが形成される。このハブ渦bの中心部は、まわりに比して圧力が小さいので気泡aが集まり易く、この部分を吸い込み、効率よく気泡aを回収できる。
強いハブ渦bが形成し易いようにボスキャップ24の形状は、先細りの砲弾型に形成されている。通常の回流水槽の送流用インペラ下流には、旋回流を回収するためにステーターを設けているが、本装置では、ハブ渦bを拡散しないようにこの種のステーターを設けない。図面では、気泡吸引管41を固定するためのステイ41cを気泡吸引管41の下流に設けているが省略してもよい。
脱気装置5には、脱気塔51を使用したものと簡易型の気泡ボックス52を使用したものとがある。脱気塔51はキャビテーション試験用回流水槽の場合に使用されるが、通常の回流水槽にも使用可能である。脱気塔51は、真空ポンプ51aによって真空に近い状態にされたタンクで、この脱気塔51内に気泡aを含んだ水をシャワー状に放出して、気泡aを取り出す。気泡aが除去された水は脱気塔51からポンプ51bによって回流水槽1に再び戻させる。
簡易型の気泡ボックス52は、空気に曝され易い部分に設けられる。図面では、計測部11の流入口となる計測部11の上流側の流入管路12の上部に気泡ボックス52が設けられている。脱気装置5に気泡ボックス52が使用される場合には、気泡吸引集合管33から吸引された気泡aを含む水は気泡ボックス52で空気に曝されて気泡aが除去されて回流水槽1に戻る。
図面では計測部11の排出口となる計測部11の下流側の排出管路13の上部にも気泡ボックス53が設けられている。回流水槽1がキャビテーション試験用回流水槽の場合にはこれらの気泡ボックス52,53は省略される。又通常の回流水槽1にあってもこれらの気泡ボックス52,53が省略されることもある。
次に、上記発明を実施するための最良の形態の構成に基づく作用について以下説明する。
回流水槽1の計測部11に水流を生じさせるにはモーター21を駆動させる。連通管路14内の送流用インペラ2は、モーター21の駆動により回転して、連通管路14内の水をコーナー部15を経由して流入管路12側に圧送する。
連通管路14内の送流用インペラ2の回転により、連通管路14からコーナー部15を経由して流入管路12に圧送された水は、流入管路12を流れて流入管路12の下流側の流入口から計測部11内に流入する。
計測部11内に流入した水は反対側の排出口に向かって一定の流速で流れる。このため、計測部11内には一定方向の水流が生じる。この計測部11では各種の実験が行われる。
通常の回流水槽1では回流中に気泡aが生成され、又キャビテーション試験用回流水槽においては、キャビテーション試験によって気泡aが生成される。生成された気泡aは、水流と共に下流側に移動する。排出口から排出管路13内に排出され、排出管路13を経て連通管路14内に入る。
連通管路14内の送流用インペラ2のボスキャップ24下流には、強い旋回流が集中してハブ渦bが形成される。このハブ渦bの中心部は、まわりに比して圧力が小さいので気泡aが集まり易くなる。
この気泡aが集まり易いボスキャップ24下流には気泡吸引管41の吸引口41aがボスキャップ24に向けて臨んでおり、ポンプ41bの駆動により気泡吸引管41の吸引口41aから、ハブ渦bの中心部に集まった気泡aは気泡aを含んだ水と共に吸引されて、気泡吸引管41内を吸い上げられて、脱気装置5に送り込まれる。
気泡吸引管41で吸引除去されなかった気泡aを含んだ水は送流用インペラ2の下流側に配置された斜め格子桁31内に流入する。斜め格子桁31の各格子内に流入した気泡aは、浮力により各格子の両側の内壁面が稜線31aに向かって逆V字状になっている両内壁面に沿って稜線31a線上に向かって浮上する。内壁面の稜線31aまでの距離は短いため、気泡aは短時間で稜線31a線上に到達する。稜線31a線上に浮上した気泡aは、稜線31a線上の下流側に配置された各気泡吸引支管32の吸引口32aから水と共に吸引される。
同一延長線上にある上下の各気泡吸引支管32で吸引された気泡aを含む水は同一の気泡吸引集合管33によって集められて上方に吸い上げられ、ポンプ33aによって脱気装置5に送り込まれる。
脱気装置5が脱気塔51からなる場合には、気泡aを含んだ水は真空ポンプ51aによって真空に近い状態にされた脱気塔51内でシャワー状に放出されて、気泡aが除去される。気泡aが除去された水は脱気塔51からポンプ51bによって回流水槽1に送り戻される。また、脱気装置5が気泡ボックス52からなる場合には、気泡aを含んだ水は気泡ボックス52で空気に曝されて気泡aが除去されて回流水槽1に戻る。
このようにして、回流中に生成された気泡a或いはキャビテーション試験によって生成した気泡aは除去される。気泡aが除去された水はコーナー部15を経由して流入管路12側に循環圧送され、循環前と略同一の水流条件になって計測部11内に再流入する。
なお、この発明は上記発明を実施するための最良の形態に限定されるものではなく、この発明の精神を逸脱しない範囲で種々の改変をなし得ることは勿論である。例えば、上記発明を実施するための最良の形態では、回流水槽1は、垂直型タイプつまり上下回りに循環する回流水槽からなる場合で説明したが、これに限定されるものではなく、水平型タイプつまり水平回りに循環する回流水槽でもよい。
この発明を実施するための最良の形態を示す気泡除去装置を備えた回流水槽の概略全体側断面図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す脱気塔の概略構成図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す斜め格子桁の一部切り欠き拡大斜視図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す斜め格子桁の一部切り欠き部分側面図である。 この発明を実施するための最良の形態を示す送流用インペラ周辺の拡大構成図である。
符号の説明
1 回流水槽
11 計測部
12 流入管路
13 排出管路
14 連通管路
15 コーナー部
16 ガイドベーン
2 送流用インペラ
21 モーター
22 インペラシャフト
23 シャフト軸受用ステーター
24 ボスキャップ
3 斜め格子桁利用気泡除去装置
31 斜め格子桁
31a 稜線
32 気泡吸引支管
32a 吸引口
33 気泡吸引集合管
33a ポンプ
4 ハブ渦利用気泡除去装置
41 気泡吸引管
41a 吸引口
41b ポンプ
41c ステイ
5 脱気装置
51 脱気塔
51a 真空ポンプ
51b ポンプ
52 気泡ボックス
53 気泡ボックス
a 気泡
b ハブ渦

Claims (2)

  1. 水槽内の水を送流用インペラで強制的に循環させて、計測部内に一定方向の水流を生じさせる回流水槽において、送流用インペラと適宜間隔をあけてその下流側の連通管路の水流方向に直角な断面方向に、格子の対角線の一方向が上下方向になるように格子桁を斜めに配置し、斜め格子桁の各稜線上に浮上する気泡を吸引する気泡吸引支管を各稜線の下流側に配置すると共に気泡吸引支管の吸引口を上流側に向けて臨ませて配置し、上下方向の対角線の同一延長線上の各気泡吸引支管を連通管路の外側に向けて上向きに延設された気泡吸引集合管に連通接続し、気泡吸引集合管を通じて吸引された気泡を含む水から脱気する脱気装置を設け、脱気装置で脱気後の水を回流水槽に再び戻すようにしたことを特徴とする気泡除去装置を備えた回流水槽。
  2. 水槽内の水を送流用インペラで強制的に循環させて、計測部内に一定方向の水流を生じさせる回流水槽において、送流用インペラと適宜間隔をあけてその下流側の連通管路の水流方向に直角な断面方向に、格子の対角線の一方向が上下方向になるように格子桁を斜めに配置し、斜め格子桁の各稜線上に浮上する気泡を吸引する気泡吸引支管を各稜線の下流側に配置すると共に気泡吸引支管の吸引口を上流側に向けて臨ませて配置し、上下方向の対角線の同一延長線上の各気泡吸引支管を連通管路の外側に向けて上向きに延設された気泡吸引集合管に連通接続し、送流用インペラのボスキャップ下流に形成されるハブ渦の中心部に集まる気泡を吸引する気泡吸引管をボスキャップ下流に配置すると共に気泡吸引管の吸引口をボスキャップに向けて臨ませて配置し、上記気泡吸引集合管を通じて吸引された気泡を含む水及び連通管路の外側に向けて上向きに延設された上記気泡吸引管を通じて吸引された気泡を含む水からそれぞれ脱気する脱気装置を設け、該脱気装置で脱気後の水を回流水槽に再び戻すようにしたことを特徴とする気泡除去装置を備えた回流水槽。
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