JP5114897B2 - 定流量エゼクタおよびイオン交換装置 - Google Patents

Description

この発明は、定流量化機能を有する定流量エゼクタおよびこの定流量エゼクタを用いたイオン交換装置に関する。

水道水や地下水などの原水に含まれる硬度分（カルシウムイオンおよびマグネシウムイオン）や硝酸性窒素（硝酸イオンおよび亜硝酸イオン）などをイオン交換樹脂により吸着除去するイオン交換装置が知られている。これらのイオン交換装置のうち、陽イオン交換樹脂を使用して水中の硬度分をナトリウムイオンやカリウムイオンへ置換するものは、通常、軟水装置と呼ばれる。一方、前記イオン交換装置のうち、陰イオン交換樹脂を使用して硝酸性窒素を塩化物イオンへ置換するものは、通常、硝酸性窒素除去装置と呼ばれる。

前記軟水装置の再生においては、再生に適したイオン交換樹脂と再生剤原液としての塩水との接触時間を維持する為に、特許文献１に記載のように、エゼクタの上流側に定流量
弁などの定流量化手段を設けることが提案されている。

特開平１１−１５６３５４号公報

この出願の発明者は、特許文献１の方式では、つぎのような課題が存在することを見出した。すなわち、特許文献１のように、エゼクタのノズルから離れた位置に定流量化手段を設けると、定流量化手段により圧力損失が生じ、駆動水頭圧が低下する。その結果、エゼクタの加圧水頭圧が低下して、十分な塩水吸引力が得られない。ここで、「駆動水頭圧」とは、（駆動水圧力−ノズル出口の噴流の圧力）を流体の比重量で割った値である。また、エゼクタの吸引力を表す「加圧水頭圧」とは、（吐出口における吐出液の圧力−吸引口における吸引液の圧力）を流体の比重量で割った値である。

この発明の解決しようとする課題は、加圧水頭圧の低下を防止または抑制した吸引力の高い定流量エゼクタおよび安定した再生液の供給が可能なイオン交換装置を提供することである。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、駆動流体が通過する孔を有し定流量化機能をなす環状弾性体を、前記環状弾性体の孔を通過後の駆動液の拡大が終わらない位置であるノズルの上流側近傍に備え、前記環状弾性体は、その上流側の駆動圧が高くなると、前記孔の径が小さくなって、駆動流体流路の断面積を狭くし、前記駆動圧が低くなると、前記孔の径が大きくなって、駆動流体流路の断面積を広くする弾性変形を生ずることで定流量化機能をなすように構成されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、定流量化機能をなす前記環状弾性体により流体流の拡大（減圧）が終わる前の位置に前記ノズルが位置しているので、駆動水頭圧の低下が抑制され、定流量機能を発揮しつつ、加圧水頭圧，すなわちエゼクタの吸引力の低下を防止することができる。

また、請求項２に記載の発明は、イオン交換装置において、請求項１の定流量エゼクタを再生剤原液を吸引するエゼクタとして用いたことを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加えて、前記定流量エゼクタにおける加圧水頭圧の低下が防止または抑制されているので、安定，かつ効率の良い再生液の供給を行うことができる。

この発明によれば、駆動水頭圧および加圧水頭圧の低下を防止または抑制した吸引力の高い定流量エゼクタを提供できるとともに、安定した再生液の供給が可能なイオン交換装置を提供することができる。

この定流量エゼクタの発明の実施の形態を説明する。この発明の実施の形態は、軟水装置などのイオン交換装置に好適に実施される。

（対比形態）
この発明の実施の形態を説明する前に、この発明の実施の形態と対比される対比形態に
ついて説明する。対比形態は、駆動流体としての駆動液が通過する孔を有し定流量化機能を発揮する環状弾性体をエゼクタのノズルとして兼用させることを特徴としている。

この対比形態によれば、前記環状弾性体がエゼクタのノズルとして機能する。すなわち、前記孔を通過する際に駆動液が減圧され、この減圧により再生剤原液などの吸引液を吸引する。また、前記環状弾性体が、弾性変形することにより定流量化手段として機能する。この対比形態においては、定流量化のための減圧とエゼクタの吸引作用の為の減圧とが同時に生ずるので、定流量化のための減圧による駆動水頭圧および加圧水頭圧の低下を防止することができ、従来のような加圧水頭圧の低下による吸引力の低下を防止することができる。

つぎに、この対比形態の構成要素について説明する。前記環状弾性体は、駆動液の圧力（駆動水圧力であって、以下、駆動圧と称する。）が高くなると駆動液流路の断面積を狭くし、逆に駆動圧が低下すると駆動液流路の断面積を広くすることにより、駆動圧の変動に対して駆動液の流量を定流量化する機能を有するものであれば、形状および材質は、特定のものに限定されない。この環状弾性体は、そのほぼ中央部に駆動液が通過する孔を形成しており、この孔の径の変化により駆動液流路の断面積の調整作用を行う。

この対比形態（後記実施の形態も同様）のエゼクタは、駆動液入口および吐出液の吐出口を備えた本体と、この本体内の前記駆動液入口および前記吐出口間に設けられるノズル部とを含み、このノズル部による減圧液流により吸引液が吸引される位置に吸引液の吸引口を前記本体に備えている。駆動液は、通常は水であるが、用途に応じて水以外の液とすることができる。また、駆動液は、液体以外の流体とすることができる。この対比形態では、定流量化のための前記環状弾性体が前記ノズルを兼用している。

（実施の形態）
次に、この発明の実施の形態を説明する。この発明の実施の形態は、駆動液が通過する孔を有し定流量化機能を有する環状弾性体をノズルの上流側近傍に備えことを特徴としている。

この実施の形態において、前記対比形態と異なるのは、エゼクタのノズルと別にその上流側近傍に前記環状弾性体を設けた点である。ここで、「上流側の近傍」とは、前記環状弾性体の孔を通過後の駆動液の拡大が終わらない（減圧が終了しない）位置を意味する。

この実施の形態によれば、定流量化のための減圧が終了する前の位置に前記ノズルが位置しているので、定流量化のための減圧による駆動水頭圧および加圧水頭圧の低下を抑制することができ、従来のような加圧水頭圧の低下による吸引力の低下を抑制することができる。

前記の実施の形態１および前記実施の形態の定流量エゼクタは、イオン交換装置の再生剤原液の吸引用のエゼクタとして用いることができる。このイオン交換装置によれば、前記定流量エゼクタにより定流量機能を発揮しつつ、吸引力の低下を防止または抑制することができるので、安定かつ効率よく再生剤原液を吸引することができる。

前記イオン交換装置としては、好ましくは、軟水装置とするが、これに限定されるものではない。また、前記軟水装置としては、対向流再生、並行流再生など再生方式に限定されることなく、種々の再生方式および構造のものが実施の対象となる。

この発明の実施例１を説明する前に、実施例１と対比される対比例を説明する。以下、
この発明の定流量エゼクタの実施例１を図面に基づいて説明する。図１は、同対比例の縦断面の説明図であり、図２は、同対比例の作動状態を説明する要部断面の説明図であり、図３は、同対比例の作用効果を説明する特性図である。

この対比例のエゼクタ１は、駆動液入口２，吐出液（駆動液と吸引液との混合液）の吐出口３および吸引液の吸引口４を備えた筒状の本体５と、この本体５内の前記駆動液入口２および前記吐出口３間に設けられるノズル部６と、このノズル部６および前記吸引口４の下流側に設けられる混合部（のど部と称することができる。）７と、この混合部７と筒状体により一体的に形成されこの混合部７の下流側に設けられる拡散部（ディフューザーまたは拡大管と称することができる。）８とを主要部として備える。

前記ノズル部６は、前記本体５内に装着される筒状のノズル支持体９と、この支持体９に装着されるエゼクタのノズル１０を兼用する環状弾性体１１とを含んで構成されている。

前記環状弾性体１１は、そのほぼ中央部に駆動液が通過する孔１２を形成している。そして、この環状弾性体１１は、駆動圧が高くなると、図２に示すように、前記孔１２の径が部分的に小さくなって、駆動液流路の断面積を狭くし、逆に駆動圧が低下すると、前記孔１２の径が大きくなって、駆動液流路の断面積を広くする弾性変形を生ずるように構成されている。すなわち、駆動圧の変動に対して駆動液の流量をほぼ一定とする定流量化機能を有するように構成されている。

前記環状弾性体１１は、この対比例では、形状を図示の輪状とし、材質をゴムとしている。

この対比例の動作を説明する。前記駆動液入口２から流入した駆動液は、前記環状弾性体１１の孔１２を通過する際に減圧される。この駆動液の減圧流により、前記吸引口４から吸引液が吸引され、駆動液と吸引液とが前記混合部７にて混合されて、前記拡散部８を経て前記吐出口３から吐出される。

こうしたエゼクタ機能に加えて、この対比例においては、前記環状弾性体１１は、弾性変形により定流量化手段として機能する。この定流量化機能は、前述のように前記環状弾性体１１の弾性変形により前記孔１２の径を変化させることで実現される。

この対比例の作用効果について、定流量化手段を前記エゼクタ１の上流側に別個に設けた比較例（特許文献１に相当）との比較により、図３に基づき説明する。図３は、前記定流量エゼクタ１を軟水装置（後述する図１０に示す）に用いた場合の、実験結果を示し、定流量化手段の上流における駆動圧（kPa）の変化に対するこの対比例および比較例の駆動水量(L／min)および加圧水頭圧（kPa）の変化と推定塩濃度（wt％）の変化とを示している。

図３の実験例からつぎのことが分かる。駆動水量は、対比例および比較例とでほぼ同じであり、前記環状弾性体１０の定流量化機能は比較例と同様に発揮されている。一方、エゼクタの吸引力を示す加圧水頭圧は、同じ駆動圧において比較すると対比例の方が比較例よりも高い値を示し、塩水吸引力が高いことを示している。当然ながら、推定塩濃度も対比例の方が比較例１よりも高い値を示している。この効果は、駆動圧が高いほどより顕著に現れることを示している。

以上の如く、この対比例によれば、定流量化のための減圧とエゼクタの吸引作用の為の減圧とが同時に生ずるので、定流量化のための減圧による駆動水頭圧の低下を防止するこ
とができ、従来のような加圧水頭圧の低下による吸引力の低下を防止することができる。

ここで、この発明の定流量エゼクタの実施例１を図面に基づいて説明する。図４は、同実施例１の縦断面の説明図であり、図５は、同実施例１の作用効果を説明する特性図である。

この実施例１において、前記対比例と異なるのは、前記環状弾性体１１を前記ノズル１０と別体として、前記ノズル１０の上流側近傍に設けた点であり、同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。

図４において、前記ノズル１０は、中央部にノズル孔１３を形成し、このノズル孔１３の上流側の筒状部分を前記環状弾性体１１の支持部１４としている。前記ノズル孔１３の位置は、前記環状弾性体１１の孔１２からの駆動液流の拡大が終わらない（減圧が終了しない）位置としている。前記ノズル孔１３の位置を前記環状弾性体１１の孔１２に近くするほど加圧水頭圧の低下を減少できる。前記環状弾性体１１と前記ノズル１０との位置関係は、両者が干渉しない関係であればよい。

この実施例１も前記対比例と同様に前記比較例との比較で実験したところ、加圧水頭圧の低下が抑制されることが確認された。図５は、前記定流量エゼクタ１を軟水装置に用いた場合の実験結果を示し、駆動圧（kPa）の変化に対するこの実施例１および比較例の駆動水量(L／min)変化と、推定塩濃度（wt％）の変化を示している。

図５の実験例からつぎのことが分かる。駆動水量は、実施例１の方が比較例よりも若干少ないものの、前記環状弾性体１１の定流量化機能は発揮されている。一方、エゼクタの吸引力を間接的に示す推定塩濃度は、同じ駆動圧において比較すると実施例１の方が比較例よりも高い値を示し、塩水吸引力が高いことを示している。この効果は、駆動圧が高いほどより顕著に現れることを示している。

（実施例１の変形例）
この発明は前記実施例１に限定されるものではなく、前記定量エゼクタの各構成要素は、本発明を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、前記環状弾性体１１の形状は、図６および図７のように変更可能である。図６，７の環状弾性体１１は、前記孔１２の入口側をＲ状に（角張らせず丸く）形成したものである。前記環状弾性体１１は、上流側の圧力と下流側の圧力との差圧により変形し、その結果、前記孔１２の径が変化して流量調整を行うものである。図６，７の形状とすることで、前記孔１２の径の変化を少なくすることができ、流量調整能力を変えることができる。

また、前記環状弾性体１１の形状は、図８および図９のように構成することができる。図８，９の環状弾性体１１は、前記孔１２の入口側に環状の突部１４を形成し、かつ孔１２の入口をＲ状に形成したものである。こうした形状とすることで前記環状弾性体１１の変形量を大きくすることができ、流量調整能力を変えることができる。

（実施例１のイオン交換装置への適用例）
前記実施例１は、軟水装置などのイオン交換装置に好適に用いられる。例えば、図１０に示すイオン交換装置２１に適用される。勿論、前記実施例１は、図１０以外のエゼクタを用いたイオン交換装置やその他の装置に適用可能なことはいうまでもない。以下、図１０のイオン交換装置２１を簡単に説明する。

図１０において、イオン交換装置２１は、樹脂収容部２２と、コントロールバルブユニット２３と、再生剤タンク２４とを主に備えている。前記樹脂収容部２２は、支持材であ
る珪石２５および処理材である陽イオン交換樹脂２６が下方からこの順で充填された樹脂筒２７を備えており、この樹脂筒２７の開口部は、蓋部材２８で閉鎖されている。そして、この蓋部材２８には、前記コントロールバルブユニット２３が装着されており、前記イオン交換装置２１の通水作動の流路と再生作動の流路とを制御器（図示省略）からの指令信号によって切り換えることができるように構成されている。

前記蓋部材２８には、原水を前記樹脂筒２７内へ案内する流入路（符号省略）が形成されており、この流入路の入口には、前記コントロールバルブユニット２３を介して原水ライン２９が接続されている。すなわち、この原水ライン２９の一部は、前記コントロールバルブユニット２３内に形成されている。一方、前記流入路の出口は、前記樹脂筒２７内へ向かって開口している。

また、前記蓋部材２８には、処理水である軟水を前記樹脂筒２７外へ案内する流出路（符号省略）が形成されており、この流出路の入口には、前記樹脂筒２７の底部へ延びる集水パイプ３０が接続されている。そして、この集水パイプ３０の先端部には、前記陽イオン交換樹脂２６の処理水側への流出を阻止する第一スクリーン部材３１が装着されている。一方、前記流出路の出口には、前記コントロールバルブユニット２３を介して処理水ライン３２が接続されている。すなわち、この処理水ライン３２の一部は、前記コントロールバルブユニット２３内に形成されている。

前記原水ライン２９には、上流側から順にストレーナ３３および第一開閉弁３４が設けられており、この第一開閉弁３４は、前記コントロールバルブユニット２３を構成している。また、前記処理水ライン３２には、第二開閉弁３５が設けられており、この第二開閉弁３５は、前記コントロールバルブユニット２３を構成している。

ここで、前記コントロールバルブユニット２３の構成について、さらに詳細に説明する。前記コントロールバルブユニット２３内において、前記第一開閉弁３４の上流側の前記原水ライン２９は、前記第二開閉弁３５の下流側の前記処理水ライン３２とバイパスライン３６で接続されている。このバイパスライン３６には、第三開閉弁３７が設けられている。この第三開閉弁３７の上流側の前記バイパスライン３６は、前記第一開閉弁３４の下流側の前記原水ライン２９と再生液調製ライン３８で接続されている。この再生液調製ライン３８には、前記バイパスライン３６側から順に第四開閉弁３９，および定流量エゼクタ１が設けられている。ここにおいて、また、前記エゼクタ１は、流れ方向の断面積を急縮小させるノズル１０を有している。

前記エゼクタ１の吐出口３は、前記再生剤タンク２４内に配置されたフロート弁ユニット４３と再生剤供給ライン４４で接続されており、この再生剤供給ライン４４には、第五開閉弁４５が設けられている。すなわち、前記エゼクタ１は、駆動水としての原水が前記ノズル１０から吐出されるときに発生する負圧を利用して、前記再生剤タンク２４内の再生剤原液（たとえば、塩化ナトリウムの飽和水溶液）を吸引可能に構成されている。そして、前記エゼクタ１において、前記再生剤タンク２４からの再生剤原液は、原水で所定濃度（たとえば、８〜１２重量％）にまで希釈されるようになっている。

前記再生剤タンク２４は、前記陽イオン交換樹脂２６の再生に使用する再生剤原液を調製するタンクであって、その内部には、再生剤である固形塩４６（たとえば、粒状やペレット状の塩化ナトリウム）が貯蔵されている。そして、この固形塩４６を前記再生剤供給ライン４４を介して前記再生剤タンク２４内に補給された原水と接触させることにより溶解させ、再生剤原液を生成するように構成されている。

前記フロート弁ユニット４３は、前記再生剤供給ライン４４を介して前記再生剤タンク
２４内へ原水が補給されると、フロート４７と連動する弁体４８が上昇し、所定水位で原水の流入を遮断するように作動する。逆に、前記フロート弁ユニット４３は、前記エゼクタ１内が負圧になると、前記フロート４７と連動する前記弁体４８が下降し、前記再生剤供給ライン４４へ再生剤原液を流出させるように作動する。そして、前記再生剤タンク２４内の再生剤原液が所定水位まで消費されると、前記フロート弁ユニット４３に内蔵された中空ボール４９が前記再生剤供給ライン４４の開口部へ移動し、再生剤原液およびエアの吸引を遮断する。

前記第二開閉弁３５の上流側の前記処理水ライン３２には、前記コントロールバルブユニット２３の外部へ延びる第一排水ライン５０が接続されている。この第一排水ライン５０には、第六開閉弁５１が設けられている。また、前記第一開閉弁３４の下流側の前記原水ライン２９は、前記第六開閉弁５１の下流側の前記第一排水ライン５０と第二排水ライン５２で接続されている。この第二排水ライン５２には、前記原水ライン２９側から順に第七開閉弁５３およびオリフィス５４が設けられている。ここにおいて、前記オリフィス５４は、前記樹脂筒２７から排水される逆洗水を所定範囲の流量に調節するためのものである。

このイオン交換装置２１の再生工程は、つぎのようにして行われる。前記再生工程では、前記制御器からの指令信号により、前記第三開閉弁３７，前記第四開閉弁３９，前記第五開閉弁４５および前記第六開閉弁５１は、それぞれ開状態に設定される。一方、前記第一開閉弁３４，前記第二開閉弁３５，前記第七開閉弁５３は、それぞれ閉状態に設定される。前記原水ライン２９を流れる原水は、希釈水（駆動水）として、前記バイパスライン３６および前記再生液調製ライン３８を介して前記エゼクタ１の一次側へ供給される。前記エゼクタ１において、前記ノズル１０の吐出側で負圧が発生すると、前記再生剤供給ライン４４内も負圧となり、前記フロート４７と連動する前記弁体４８が下降する。この結果、前記再生剤タンク２４内の再生剤原液が前記再生剤供給ライン４４を介して吸引可能となり、前記エゼクタ１内では、再生剤原液が原水で所定濃度まで希釈され、再生液が調製される。前記エゼクタ１からの再生液は、前記再生液調製ライン３８および前記原水ライン２９の一部を介して前記樹脂筒２７内の上部へ供給される。この再生液は、前記陽イオン交換樹脂２６の充填層を下降流で通過し、前記陽イオン交換樹脂２６を再生させる。すなわち、前記陽イオン交換樹脂２６の充填層に対して並流再生（co-flow regeneration）が行われる。そして、前記陽イオン交換樹脂２６の充填層を通過した再生液は、前記第一スクリーン部材３１および前記集水パイプ３０を介して前記樹脂筒２７から排出されたのち、前記処理水ライン３２および前記第一排水ライン５０を介して系外へ排出される。ここにおいて、前記再生剤タンク２４内の再生剤原液が所定水位まで消費されると、前記中空ボール４９が前記再生剤供給ライン４４の開口部へ移動し、再生剤原液およびエアの吸引を遮断する。

このイオン交換装置２１によれば、前記定流量エゼクタ１を用いているので、前記定流量エゼクタ１により定流量機能を発揮しつつ、吸引力の低下を防止または抑制することができる。したがって、駆動圧の変動に拘わらず、定流量と高い加圧水頭圧を維持できるので、安定かつ効率よく再生剤原液を吸引することができる。

この発明の対比例の縦断面の説明図である。 同対比例の動作を説明する図である。 同対比例の効果を説明する図である。 この発明の実施例１の縦断面の説明図である。 同実施例１の効果を説明する図である。 環状弾性体の変形例を示す側面の説明図である。 環状弾性体の変形例を示す縦断面の説明図である。 環状弾性体の他の変形例を示す縦断面の説明図である。 環状弾性体の他の変形例を示す縦断面の説明図である。 この発明を実施したイオン交換装置の概略の説明図である。

１ 定流量エゼクタ
２ 駆動液入口
３ 吐出口
４ 吸引口
１０ ノズル
１１ 環状弾性体
２１ イオン交換装置

Claims (2)

1. 駆動流体が通過する孔を有し定流量化機能をなす環状弾性体を、前記環状弾性体の孔を通過後の駆動液の拡大が終わらない位置であるノズルの上流側近傍に備え、
   前記環状弾性体は、その上流側の駆動圧が高くなると、前記孔の径が小さくなって、
   駆動流体流路の断面積を狭くし、前記駆動圧が低くなると、前記孔の径が大きくなって、駆動流体流路の断面積を広くする弾性変形を生ずることで定流量化機能をなすように構成されていることを特徴とする定流量エゼクタ。
2. 請求項１の定流量エゼクタを再生剤原液を吸引するエゼクタとして用いたことを特徴とするイオン交換装置。

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