JP4791237B2 - 冷却水処理装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷却塔と熱交換器とを循環する冷却塔冷却水を処理してスケールの付着を防止するとともに微生物や藻類の発生を防止する冷却水処理装置に関する。

冷却塔で大気と熱交換させて冷却した冷却水をポンプで熱交換器へ送り、該熱交換器での熱交換で昇温した冷却水を冷却塔に循環させる冷却水循環系では、冷却塔等での水の蒸発によってイオン物質が冷却水中に濃縮され、冷却水を送るパイプの内壁や熱交換器、冷却塔の内部にスケールや錆が発生し、これらのスケールや錆が、冷却効率の低下や設備の短寿命化等の一因となっている。また、水の濃縮は、微生物や藻類の発生と増殖とを加速し、環境衛生面からも問題となっている。

これらの問題を軽減するため、従来から有機りん酸系または塩素系の薬剤を定期的に冷却水に添加することが行われていたが、維持コストが高いというだけでなく、冷却塔から薬剤が飛散することによる環境汚染を防止する対策も必要なことから、薬剤使用を使わない冷却水処理方法が望まれている。

そして、薬剤を使用しない冷却水処理方法として、磁気処理方法が提案され、各種の処理装置が導入されている。
ケーシングの各端部の内側位置には、第１永久磁石及び第２永久磁石が軸方向に互いに離間して設けられており、各永久磁石は、互いに離間して設けられた３個の磁石片よりなり、各磁石片の磁極は異極が互いに対向するように構成されている。そして、冷却水を磁気処理することによってスケール成長が抑制された経験的な事実は多数報告されており、薬剤を用いることなく系内のスケール成長とアルジー生成を抑制できたとの報告はある（例えば、特許文献１参照）。

また、冷却水の磁気処理方法によるスケール成長の抑制に加え、冷却塔の冷却水の流路の途中に配置された銅材及び銀材からなる陽極と、この陽極と対をなして配置された陰極と、陽極と陰極の間に通電する直流電源とからなり、陽極と陰極との間に冷却水を流した状態で通電できるように設置し、藻類の繁殖を抑制する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

また、銀、銅、亜鉛などの金属イオンを抗菌性能を有する抗菌剤として使用し、炭酸カルシウム、リン酸カルシウム、セラミックスを担持体とし、単結晶テトラポット状の三次元構造をもつ酸化亜鉛ウイスカを配合した抗菌・防錆兼用剤を冷却水内に投下設置することが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平６−２９６９７０号公報 特開平５−２４５４７８号公報 特開平５−４５０９０号公報

しかし、従来の磁気処理方法においては、効果発現の再現性は絶対的なものではなく、また、その効果の程度にもバラツキが大きく、十分な信頼性を得る水処理方法を提供するものではなかった。加えて、この従来の方法では、非常に高い磁束密度を持つ磁気処理装置を必要とするため、装置の製造コストも高価となってしまうという問題がある。

また、全く効果がないとする報告も多く、スケール成長に電磁気処理効果が確認された場合は、スケール結晶構造に変化を伴っており、その効果は長期間の電磁気処理を継続することにより発現している。すなわち、循環水の電磁気処理に期待される物理的な効果は穏和なものであるため、循環水の組成あるいは冷却システムの構造により、電磁気処理効果の発現の程度が異なっている。

その導入の方法は、直流電源を用いた金属銅のアノード溶解によるものであるから、電磁処理のための磁石に加えて直流電源装置が必要であること、循環水量が大きい冷却システムにおいては大面積の銅電極が必要となることから、装置が複雑になるとともに装置コスト、維持コスト共に増大してしまうという問題がある。

この発明の目的は、維持コストを抑えながら銀イオンなどにより殺藻、殺菌し、確実に硬質スケールの成長を抑制する冷却水処理装置を提供することである。

この発明に係わる冷却水処理装置は、冷却水の流れの上流から下流に沿って、殺藻または殺菌効果を有する銀イオンまたは銅イオンの少なくともいずれか一方を冷却水中に供給する殺藻殺菌イオン供給装置と、冷却水中の金属イオンを吸着するとともに除溶する岩石が充填される岩石充填部材と、を備える。

この発明に係わる冷却水処理装置の効果は、金属イオン供給装置の下流に岩石充填部材を配置することにより、金属イオンによる殺藻、殺菌の効果を長続きすることができるので、銀および銅の消費量を低減することができるし、電力量も減らすことができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置を配備した冷却水循環系の構成図である。図２は、この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置の外観図である。図３は、この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置の断面図である。図４は、この発明の実施の形態１に係わる円環型両面６極着磁磁石の平面図である。図５は、この発明の実施の形態１に係わる金属イオン供給装置の外観図である。
この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置１は、図１に示すように、図示しない空気調和機の水冷式熱交換器２での熱交換により昇温した冷却水を冷却塔（クーリングタワー）３で大気と熱交換させて冷却し、その冷却水を熱交換器２へ戻す冷却水循環系に配置される。熱交換器２で熱交換された冷却水は循環ポンプ４で冷却塔３に送られる。そして、この冷却塔３で熱交換されて一時的に貯まる冷却水中に冷却水処理装置１が浸漬されている。

図２（ａ）は、冷却水処理装置１の平面図、図２（ｂ）は、冷却水処理装置１の流入口６ａ側からの正面図、図２（ｃ）は、冷却水処理装置１の流出口６ｂ側からの正面図である。
この実施の形態１に係わる冷却水処理装置１は、図２に示すように、ステンレス製の直方体の無底の筐体６内に配置されている。冷却水の上流から下流に向かって、流れに直交し、上流側の側面に処理前の冷却水が流れ込む流入口６ａが設けられている。また、流れに直交し、下流側の側面に処理後の冷却水が流れ出す流出口６ｂが設けられている。筐体の天井６ｃの上には、電極端子７が設けられている。

実施の形態１に係わる冷却水処理装置１は、図３に示すように、処理対象の冷却水の上流から下流に向かって、磁場発生部材１１、金属イオン供給装置１２、岩石充填部材１３を備えている。
実施の形態１に係わる磁場発生部材１１は、図２（ａ）と図３に示すように、フェライトからでき、厚み方向に着磁された複数の円環型両面６極着磁磁石１５を有する。そして、複数の円環型両面６極着磁磁石１５は、上下２本のステンレスからできた保持棒１６により円環の孔が貫通されて水平方向に配置されている。そして、２本の保持棒１６は、冷却水の流れる方向に垂直に所定の距離だけ離間する支持部材１７により両端が支持されており、冷却水は、円環型両面６極着磁磁石１５の着磁面により挟まれた隙間を流れる。
円環型両面６極着磁磁石１５は、図４に示すように、円環の周方向に６分割されてＮ極とＳ極とに交互に着磁されており、着磁面に水平方向に磁束が流れるので、強い磁界が形成される。なお、円環型の磁石を片面だけ多極着磁しても両面着磁と同様にスケールを剥離する効果を発揮する。また、６極着磁しているが、４極または８極以上に着磁しても同様な効果が得られる。

実施の形態１に係わる金属イオン供給装置１２は、図３と図５に示すように、筐体の天井６ｃから複数対の２種類の陽極２１ａ、２１ｂとカーボンなどの高導電性物質の陰極２２とが下がっている。この金属イオン供給装置１２は、水中にイオン化されたとき殺菌に寄与する第１金属としての銀からなる第１陽極としての複数の銀陽極２１ａと、水中にイオン化されたとき殺藻に寄与する第２金属としての銅からなる第２陽極としての複数の銅陽極２１ｂとが、それぞれ一対としてカーボンなどの高導電性物質の陰極２２を備えている。
なお、実施の形態１において殺菌力の最も強い銀と殺菌力は弱いが安価な銅とを例に挙げたが、これ以外に白金、金、コバルトなどを組み合わせた場合でも同様な効果が得られる。

また、金属イオン供給装置１２は、図１に示すように、銀陽極２１ａとカーボンなどの高導電性物質の陰極２２、銅陽極２１ｂとカーボンなどの高導電性物質の陰極２２の間の水に電流を流して正電位の方の電極から該金属をイオン化する電源２３と、この電源を制御する制御装置２４と、を備えている。
銀陽極２１ａ、銅陽極２１ｂおよびカーボンなどの高導電性物質の陰極２２は、それぞれ電極支持体２５に握持され、銀陽極２１ａ、銅陽極２１ｂおよびカーボンなどの高導電性物質の陰極２２からそれぞれ電源ケーブル２６が電極端子７から引き出され、電極支持体２５は筐体の天井６ｃに固定されている。
電源２３は、過電圧を考慮して印加する電流値および電解時間である印加時間が制御装置２４により制御される。

制御装置２４は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェースを有するコンピュータから構成され、ＲＯＭには、予め設定された殺藻・殺菌制御プログラムが格納されている。この殺藻・殺菌制御プログラムにより金属イオン供給装置１２を制御して冷却水を殺藻・殺菌するように制御する。

実施の形態１に係わる岩石充填部材１３は、図３に示すように、直方体の側面がメッシュ状の孔が多数開けられたステンレスからなる２個のカゴ３１、カゴ３１内に充填された岩石粒３２から構成されている。このカゴ３１は、上下に少し離間して筐体の端面６ｄに固定されている。岩石粒３２は、三波川変成岩を砕いたものである。この三波川変成岩は、泥質堆積岩起源の広域変成岩である緑泥片岩であり、三波川変成帯で産出される。なお、岩石粒として、三波川変成岩に代表される泥質堆積岩起源の広域変成岩以外に、火成岩起源の広域変成岩、接触変成岩など細孔を有し、除溶性の性質を示す岩石であれば本発明に適用することができる。

次に、磁場発生部材１１の効果について説明する。磁場発生部材１１の横並びに並んだ円環型両面６極着磁磁石１５の隙間を冷却水が通過すると、磁場発生部材１１を備えないときに比べて磁場発生部材１１の下流側の配管に強く付着するスケール量が少なくなり、付着しても軟質スケールが多くなる。このことは、強い磁場内を水が通過すると、水がスケールなどの細孔に浸透しやすくなる性質が強まり、配管に一旦付着したスケールと配管との隙間に入り込み、スケールを配管から剥離するように作用すると考えられる。

また、磁場が強いほど水がスケールなどの細孔への浸透性が顕著になるが、円環型両面６極着磁磁石１５は、冷却水が流れる面内に発生する磁場の強さが強いので、冷却水の浸透性をより大きくする。
また、金属イオン供給装置１２の上流に磁場発生部材１１が配置されているので、冷却水に含まれている例えばカルシウムイオンやマグネシウムイオンなどのイオンがスケールとして銀陽極２１ａ、銅陽極２１ｂおよび陰極２２の表面に付着することが防がれ、金属イオンの供給の際の電力が一定のまま維持される。

次に、金属イオン供給装置１２の動作について説明する。
第１時限として、銅陽極２１ｂと対応するカーボンなどの高導電性物質の陰極２２に電源２３から電圧を印加して、銅陽極２１ｂから銅イオンを溶出する。このように、水中に銅イオンが所定の濃度以上に存在すると、藻の呼吸が阻害されて繁殖が抑えられる。そして、藻の繁殖が抑えられると、藻を住処としているレジオネラ属菌の繁殖が抑えられ、個体数が減少する。
第２時限として、銀陽極２１ａと対応するカーボンなどの高導電性物質の陰極２２に電源２３から電圧を印加して、銀陽極２１ａから銀イオンを溶出する。このように、水中に銀イオンが所定の濃度上に存在すると、銀イオンがレジオネラ属菌の細胞に強く吸着して、レジオネラ属菌を直接死滅させる。また、同時に、レジオネラ属菌に強く吸着し、レジオネラ属菌の細胞酵素をブロッキングして死滅させる。
実際に冷却塔３内に設置して効果を測定すると、冷却水処理装置１が設置されたときレジオネラ属菌の菌数が７９０ＣＦＵ／１００ｍＬであったものが、１ヶ月経過すると菌数が１０ＣＦＵ／１００ｍＬ未満に大幅に減少した。

このように２つの時限に別々の金属イオンを水中に溶出することにより、最終的に殺菌を効果的に行うことができる。特に、最初に銅イオンを溶出して、主に藻とバクテリアとの個体数を減じて細菌が繁殖しにくい水中環境に変化させ、その上で、銀イオンを溶出して、細菌を死滅することにより、効果的に殺藻と殺菌を行うことができる。
さらに、金属の値段として銀よりも安い銅で銀イオンによる殺菌に前もって殺藻を行っているので、値段の高い銀および銅の消費量を節約することができ、ランニングコストを低く抑えることができる。
また、銀陽極２１ａから溶出された銀イオンの一部が銀として銅陽極２１ｂ上に析出しても、銅陽極２１ｂに印加したとき、銀が再度銀イオンとして溶出されるので、無駄なく銀陽極２１ａの銀が消費される。

次に、岩石充填部材１３を冷却水が通過したときに受ける作用を説明する。
金属イオン供給装置１２だけを上流に配置し、下流に岩石充填部材１３の配置の有無により観察される現象について説明する。金属イオン供給装置１２で銅イオンと銀イオンを上述の２つの時限で供給して終了し、その後の殺藻、殺菌の効果を観察すると１週間でなくなってしまうが、金属イオン供給装置１２の下流に岩石充填部材１３を配置すると、金属イオン供給装置１２で銅イオンと銀イオンを上述の２つの時限で供給して終了し、その後の殺藻、殺菌の効果を観察すると、１ヶ月以上に亘って効果が観察される。これは、三波川変成岩は劈開性を有しており、且つ泥質堆積岩起源であるので細孔を多数有しており、岩石粒３２が銅イオンまたは銀イオンを吸着し、銅イオンまたは銀イオンが中性化せずにイオン状態で長く留まると考えられる。さらに、三波川平成岩は速度は遅いが水中に成分が溶解する性質を有しているので、吸着された銅イオンまたは銀イオンが溶解にともなって再度水中に浮遊するので、殺藻、殺菌の効果が長引くと考えられる。

このように金属イオン供給装置１２の下流に岩石充填部材１３を配置することにより、金属イオンによる殺藻、殺菌の効果を長続きすることができるので、銀および銅の消費量を低減することができるし、電力量も減らすことができる。

また、磁場発生部材１１だけを上流に配置し、下流に岩石充填部材１３の配置の有無により観察されている現象について説明する。磁場発生部材１１だけを配置して冷却水を処理すると、配管に付着するスケールは少なくなるが、それでも配管の内壁に硬質スケールが付着するので、スチールブラシだけではクリーニングすることができずに、薬品洗浄が必要になる。
一方、磁場発生部材１１の下流に岩石充填部材１３を配置すると、多くは岩石充填部材１３の下方に軟質スケールが沈降し、配管の内壁にも軟質のスケールが付着しているので、スチールブラシだけで洗浄を完了することができる。これは、磁場発生部材１１を通過してきた冷却水の中に含まれるイオンが吸着され、吸着したまま岩石が劈開して行くので、浮遊物が弱く結びついてヘドロ状に沈降する。

次に、冷却水循環系の冷却塔３に冷却水処理装置１を配置したときの熱交換器２の配管内を観察した結果を説明する。図６（ａ）は、冷却水処理装置１を配置したときの熱交換器２の配管の入口の写真である。図６（ｂ）は、冷却水処理装置１を配置しなかったときの熱交換器２の配管の入口の写真である。
冷却水処理装置１を用いて冷却水を処理すると、図６（ａ）に見られるように、配管の入口には殆ど硬質スケールが付着しておらず配管の素材の色が観察される。一方、冷却水が冷却水処理装置１により処理されていないと、図６（ｂ）に見られるように、配管の入口に硬質スケールが付着して入口を狭めている。そして、０．３〜０．４ｍｍの硬質スケールが付着すると、冷凍能力が４％位低下し、それをカバーするために消費電力が２０％余分に必要になる。
このように、冷却水が循環する配管内に硬質スケールが付着しないので、熱交換効率が悪化せずに、全体の消費電力を削減することができる。また、硬質スケールが付着していないので、軟質スケールが付着してもブラシで洗浄することができ、薬品洗浄を行わなくてもすむ。

冷却塔３内の冷却水の水質の冷却水処理装置１の配置の有無による違いを観察した結果を説明する。図７（ａ）は、冷却塔３内の冷却水の様子を撮影した写真である。図７（ｂ）は、冷却塔３内に冷却水処理装置１を沈めて稼動して１週間経過したときの冷却水の様子を撮影した写真である。
冷却水処理装置１が配置される前では、図７（ａ）に見られるように、水中に藻が大量に生え微生物が繁殖しているので、透明度が悪く、色も赤茶色で、レジオネラ属菌などによるカビ臭さが漂っている。一方、冷却水処理装置１を沈めて稼動して１週間経過すると、図７（ｂ）に見られるように、透明度が良くなり、藻が生えていないので、色も無色で、カビ臭さも大幅に改善される。

なお、実施の形態１では空気調和装置の冷却塔３に投入する例について説明したが、冷温水を用いた冷凍機や加温器などにも適用することができる。

実施の形態２．
図８は、この発明の実施の形態２に係わる冷却水処理装置を配備した冷却水循環系の構成図である。図９は、この発明の実施の形態２に係わる冷却水処理装置の断面図である。
この発明の実施の形態２に係わる冷却水処理装置１Ｂは、冷却水循環系において蒸発などにより減少する循環水に冷却塔３で補給する補給水を処理する。そのために、実施の形態１に係わる冷却水処理装置１に補給水供給装置８が追加され、筐体６Ｂが異なっているが、その他は同様であるので同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
この実施の形態２に係わる冷却水処理装置１Ｂは、冷却塔３の中に熱交換されて一時的に貯まる冷却水中に沈まないように冷却水の水面より上方に配置されており、補給水は補給水供給装置８により冷却水処理装置１Ｂの筐体６Ｂ内に供給される。
補給水供給装置８は、冷却水処理装置１Ｂの補給水供給口３３に連なる補給水配管２７、補給水配管２７の途中に介設され、補給水の供給開始と供給停止とを切り換える給水電磁弁２８を備える。そして、この給水電磁弁２８は、制御装置２４により制御される。

また、この実施の形態２に係わる筐体６Ｂは、図９に示すように、有底であり、４つの側面は上端部を除いて閉鎖されている。そして、側面の上端部には開口部３４を有している。そして、この筐体６Ｂの中に磁場発生部材１１、金属イオン供給装置１２、岩石充填部材１３が実施の形態１と同様に配備されている。また、筐体６Ｂの底面に平行に補給水分配管３５が配置され、筐体６Ｂの１側面に設けられた補給水供給口３３に接続されている。補給水分配管３５は、管の側面に孔が明けられており、補給水配管２７から供給された補給水は補給水分配管３５から筐体６Ｂ内に供給される。供給された補給水は、磁場発生部材１１、金属イオン供給装置１２および岩石充填部材１３により実施の形態１と同様な処理が加えられる。そして、開口部３４の水位まで溜まった補給水は開口部３４から溢れ出して冷却塔３の冷却水に補給される。

このように補給水に処理を施してから補給し、冷却水の影響をうけないので、冷却水処理装置１Ｂの寿命、特に金属イオン供給装置１２の寿命を永くすることができる。

この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置を配備した冷却水循環系の構成図である。 この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置の外観図である。 この発明の実施の形態１に係わる冷却水処理装置の断面図である。 この発明の実施の形態１に係わる円環型両面６極着磁磁石の平面図である。 この発明の実施の形態１に係わる金属イオン供給装置の外観図である。 実施の形態１に係わる冷却水処理装置を稼動したときの熱交換器の配管の入口を撮影した写真である。 実施の形態１に係わる冷却水処理装置を稼動したときの水槽を撮影した写真である。 この発明の実施の形態２に係わる冷却水処理装置を配備した冷却水循環系の構成図である。 この発明の実施の形態２に係わる冷却水処理装置の断面図である。

符号の説明

１、１Ｂ 冷却水処理装置、２ 水冷式熱交換器、３ 冷却塔、４ 循環ポンプ、６、６Ｂ 筐体、６ａ 流入口、６ｂ 流出口、７ 電極端子、８ 補給水供給装置、１１ 磁場発生部材、１２ 金属イオン供給装置、１３ 岩石充填部材、１５ 円環型両面６極着磁磁石、１６ 保持棒、１７ 支持部材、２１ａ 銀陽極、２１ｂ 銅陽極、２２ カーボンなどの高導電性物質の陰極、２３ 電源、２４ 制御装置、２５ 電極支持体、２６ 電源ケーブル、２７ 補給水配管、２８ 給水電磁弁、３１ カゴ、３２ 岩石粒、３３ 補給水供給口、３４ 開口部、３５ 補給水分配管。

Claims (4)

1. 冷却水の流れの上流から下流に沿って、
   殺藻または殺菌効果を有する銀イオンまたは銅イオンの少なくともいずれか一方を冷却水中に供給する金属イオン供給装置と、
   冷却水中の金属イオンを吸着するとともに除溶する岩石が充填される岩石充填部材と、 を備えることを特徴とする冷却水処理装置。
2. 上記金属イオン供給装置の上流側に、冷却水が流れる隙間に磁場を発生する磁場発生部材を備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却水処理装置。
3. 上記磁場発生部材は、中心孔が保持棒で貫通されて串刺し状に支持される複数の環型の両面または片面多極着磁磁石を有することを特徴とする請求項２に記載の冷却水処理装置。
4. 上記岩石は、泥質堆積岩起源の広域変成岩、火成岩起源の広域変成岩または接触変成岩からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却水処理装置。