JP6139752B1 - 排水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】保守作業のコストを低減する。【解決手段】取水部１２は貯水槽９１−１内に配置される送水管１１の上流側先端を水封する。排水部１３は貯水槽９１−２内に配置される送水管１１の下流側先端を水封する。給水タンク１４は送水管１１に水を供給する。真空ポンプ１７は給水タンク１４内に存在する空気を吸引する。水位センサ１６は貯水槽９１−１内の水位および給水タンク１４内の水位を計測する。制御部１８は、貯水槽９１−１内の水位が吸引可能水位Ｈ１を上回っており、かつ、給水タンク１４内の水位が運転水位Ｈ５を下回ったときに真空ポンプ１７の運転を開始し、貯水槽９１−１内の水位が吸引禁止水位Ｈ３を下回ったとき、または、給水タンク１４内の水位が停止水位Ｈ４を上回ったときに真空ポンプ１７の運転を停止する制御を行う。【選択図】図５

Description

この発明は、貯水槽に貯留された水を貯水槽の外へサイホン効果を利用して排水する排水装置に関する。

通信ケーブルやガス管、送電線などを敷設するために、トンネル状の設備（以下、とう道と呼ぶ。）が地中に設置されている。とう道は鉄筋コンクリート等により構成される内周壁を連結して構築される。とう道の底版の上には作業員が通行するための歩床コンクリートが設置される。とう道は地中に設置されているため、構造物の不等沈下や伸縮もしくは地震等の地殻変動により内周壁の連結部にずれが生じ、その隙間から地下水や土砂がとう道内に入り込むことがある。とう道内にはこれらの漏水等を排水するための側溝が設けられている。漏水等の排水を円滑にするために、とう道には上流側から下流側へ向けて十分な傾斜が設けられており、とう道に入り込んだ漏水等は、一定間隔で設置された排水ピットに貯留されるようになっている。

各排水ピットに貯留された水は揚水ポンプを用いて汲み上げられ、地上へ排水される。例えば、図１に示すように、とう道９０の排水溝には一定間隔で排水ピット９１−１，…，９１−３が設置されており、とう道９０内に入り込んだ漏水が貯留される。排水ピット９１−１，…，９１−３に貯留された水は、各排水ピット内に設置された揚水ポンプ９２−１，…，９２−３により、地表近くに設置された排水升９３−１，…，９３−３へ汲み上げられ、地上へ排水される。

従来は、図１に示すように、排水ピットごとに揚水ポンプを設置して地上へ排水をしていた。しかしながら、近年、設備の老朽化等の要因により、排水ピットに溜まった水を隣の排水ピットへ横引きし、複数の排水ピットに溜まった水をまとめて地上へ排水するケースが増えている。例えば、図２に示す例では、排水ピット９１−１に溜まった水を揚水ポンプ９２−１により隣の排水ピット９１−２へ横引きし、さらに、排水ピット９１−２に溜まった水を揚水ポンプ９２−２により隣の排水ピット９１−３へ横引きする。そして、排水ピット９１−３に集約された水を揚水ポンプ９２−３により排水升９３−３へ汲み上げている。

このような横引き排水を行うためには、図２に示すように、揚水ポンプを用いても構わないが、より簡易な仕組みとして、例えば、特許文献１に記載されるような、サイホン効果を利用することで動力を不要とした排水装置を用いることができる。特許文献１に記載された排水装置は、図３に示すように、送水管１１の上流側先端に設けられた取水部１２を排水元の排水ピット９１−１内に配置し、送水管１１の下流側先端に設けられた排水部１３を排水先の排水ピット９１−２内に配置する。このとき、送水管１１内を水で満たすことで、サイホン効果により、排水ピット９１−１内に貯留された水を排水ピット９１−２へ排水することができる。特許文献１に記載された排水装置では、取水部１２および排水部１３が上方へ向けて開口しており、排水部１３の開口面の高さＨ１が取水部１２の開口面の高さＨ２より高いか等しい高さに調整されているため、排水ピット９１−１内に溜まった水の排水が完了した後であってもサイホン効果が失われることがない。このように構成することにより、一旦排水が完了した後であっても、その後、排水ピット９１−１内に漏水等が流入して排水ピット９１−１内の水位が上昇した際には、その都度自動的に排水ピット９１−１内に溜まった水が排水ピット９１−２へ排水されることになる。

特許第５５７２６８２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された排水装置では、長期間にわたって内部を水で満たした状態で設置されるため、水に溶け込んでいる溶存空気が排出することによる影響を無視することができない。

一般的に、水の中に溶け込んでいる空気量は圧力によって変化する。すなわち、圧力が上がると溶け込む空気の量が増加し、圧力が下がると溶け込む空気の量が減少する。この現象はヘンリーの法則と呼ばれる。図４に示すように、特許文献１に記載された排水装置では、取水部１２および排水部１３が開放されているため、それらの開口面は大気圧（0.10MPa）である。一方、送水管１１の内部は高さに反比例して圧力が下がるため、送水管１１内は負圧となり、溶け込める空気量が減少する。これにより、送水管１１内の水の溶存空気は過飽和状態となる。過飽和状態となった溶存空気は気泡となり、送水管１１内に溜まる。また、送水管１１内は負圧のため、気泡となった空気の体積は、ボイルシャルルの法則により、大気圧中よりも膨張し大きくなる。

特許文献１に記載された排水装置では、図３に示すように、送水管１１の頂上部に給水タンク１４を設置し、送水管１１の内部の水が減少した際に自動的に給水するように構成することは可能である。しかしながら、給水タンク１４の容量は有限であるため、いずれ給水タンク１４内の水がなくなれば、送水管１１内に空気が入り込み、サイホン効果が失われてしまうことになる。そのような事態を回避するためには、人手で定期的に排水装置の設置場所を巡回し、給水タンク１４内の水を補給する保守作業を行う必要がある。

この発明は、上記のような点に鑑みてなされたものであり、従来必要であった保守や点検のための作業を不要とし、保守作業のコストを低減することができる排水装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明の排水装置は、上流側先端が貯水槽内に配置され、下流側先端が貯水槽外に配置され、貯水槽内に貯留された水をサイホン効果により貯水槽外へ送り出す送水管と、送水管の上流側先端において上方に向けて開口することで送水管の上流側先端を水封する取水部と、送水管の下流側先端において上方に向けて開口することで送水管の下流側先端を水封し、その開口面が取水部の開口面よりも高い位置または高さが等しい位置に配置される排水部と、送水管の頂上部と連通し、送水管に水を供給する、密封された給水タンクと、給水タンクの頂上部に接続され、給水タンク内に存在する空気を吸引する真空ポンプと、貯水槽内の水位および給水タンク内の水位を計測する水位センサと、水位センサで計測される貯水槽内の水位および給水タンク内の水位を参照し、貯水槽内の水位が取水部の開口面より高い位置に設定された吸引可能水位を上回っており、かつ、給水タンク内の水位が所定の運転水位を下回ったときに真空ポンプの運転を開始し、貯水槽内の水位が吸引可能水位よりも低い位置に設定された吸引禁止水位を下回ったとき、または、給水タンク内の水位が運転水位よりも高い位置に設定された停止水位を上回ったときに真空ポンプの運転を停止する制御を行う制御部と、を備える。

この発明によれば、サイホン効果を用いた排水装置において、排水装置内の水が減少した場合に貯水槽内の水を真空ポンプで自動的に吸い上げるため、溶存空気の排出により減少した排水装置内の水を自動的に補給することができる。そのため、定期的な保守作業が不要となり、保守作業のコストを低減できる。

図１は、従来のとう道の排水方式を説明するための図である。 図２は、横引き排水を用いたとう道の排水方式を説明するための図である。 図３は、従来の排水装置の機能構成を例示する図である。 図４は、排水装置内の圧力を説明するための図である。 図５は、第一実施形態の排水装置の機能構成を例示する図である。 図６は、第二実施形態の排水装置の機能構成を例示する図である。

以下、この発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面中において同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の排水装置は、図５に示すように、送水管１１、取水部１２、排水部１３、給水タンク１４、排気管１５、水位センサ１６−１および１６−２、真空ポンプ１７、および制御部１８を備える。

送水管１１は、排水元の貯水槽９１−１から排水先の貯水槽９１−２まで繋ぐことができる十分な長さを有する。送水管１１の一方の先端は排水元の貯水槽９１−１内に配置され、他方の先端は排水先の貯水槽９１−２内に配置される。以下、排水元の貯水槽９１−１内に配置された送水管１１の一方の先端を「上流側先端」と呼び、排水先の貯水槽９１−２内に配置された送水管１１の他方の先端を「下流側先端」と呼ぶ。取水部１２は、送水管１１の上流側先端において上方に向けて開口し、送水管１１内に水を満たすと上流側先端を水封するように形成される。排水部１３は、送水管１１の下流側先端において上方に向けて開口し、送水管１１内に水を満たすと下流側先端を水封するように形成される。排水部１３の開口面は、取水部１２の開口面よりも高い位置に配置される。

送水管１１と取水部１２と排水部１３とは、全体が一体的に形成されていてもよいし、それぞれを個別の部材で構成して分解可能としてもよい。また、送水管１１は、水平管と、取水部１２と水平管とを繋ぐ取水管と、排水部１３と水平管とを繋ぐ排水管とが、それぞれ個別の部材で構成して分解可能としてもよいし、一体的に形成された単一の部材で構成してもよい。排水装置を複数の部材で分解可能に構成すると、設置する際の運搬作業を容易にすることができる。一方、排水装置を単一の部材で構成すると、強度を高めることができる。

水平管と取水管のなす角度は、取水部１２が貯水槽の底面に近接して配置できるように調整すればよいが、送水管１１の内径が細い場合には、その角度が大きくなると水や気泡の通りが悪くなる場合があるため、送水管１１の内径を考慮して調整する必要がある。水平管と排水管のなす角度も同様に調整すればよい。

送水管１１の材料は排水時の負圧によって変形しない程度の剛性を有する材料であればどのような素材であってもよい。例えば、ステンレス等の金属製でもよいし、塩化ビニル等のプラスチック製でもよい。送水管１１の内部に異物が混入するなどにより修理する場合の保守性を考慮するとアクリル等の透光性素材で形成することが望ましい。送水管１１は伸縮管で形成してもよいし、フレキシブル管で形成してもよい。送水管１１を伸縮管もしくはフレキシブル管で形成すれば、排水元の貯水槽９１−１と排水先の貯水槽９１−２とを結ぶルートの形状に応じて適切な位置に取水部１２と排水部１３とを配置することが可能となる。

取水部１２は、上述のとおり、送水管１１の上流側先端を水封することができる形状に形成される。水封とは、管の途中に水を溜めることができるように形成し、管に注水すると経路の途中もしくは先端が水で塞がれるようにすることで空気などの気体が管の内部に混入しないように遮断することである。排水部１３も、取水部１２と同様に、送水管１１の下流側先端を水封することができる形状に形成される。

給水タンク１４は、底部が送水管１１の頂上部と連通しており、給水タンク１４内の水が送水管１１の内部へ流入するように構成される。また、給水タンク１４は頂上部が排気管１５と連通しており、給水タンク１４内の空気を外部へ排出することができるように構成される。排気管１５の反対側の端は真空ポンプ１７と接続される。言い替えると、給水タンク１４の頂上部と真空ポンプ１７は排気管１５により接続されている。給水タンク１４は送水管１１または排気管１５と連通する部分を除いて密封可能に構成されている。

給水タンク１４の材料は、送水管１１の内部に発生する負圧によって変形しない程度の剛性を有する材料であればどのような素材であってもよい。例えば、ステンレス等の金属製でもよいし、塩化ビニル等のプラスチック製でもよい。給水タンク１４の内部の水量を容易に確認することができるように窓を設けたり、全体をアクリル等の透光性素材により形成したりすることが望ましい。給水タンク１４と送水管１１は一体的に構成してもよいし、取り外し可能なように個々の部品として構成してもよい。給水タンク１４の容量は見込まれる水の減少量を考慮して決定すればよく、例えば、４リットル程度にすることが考えられる。

水位センサ１６−１は、排水元の貯水槽９１−１内の水位を計測する。水位センサ１６−２は、給水タンク１４内の水位を計測する。水位センサ１６はどのような方式のものを用いてもよく、例えば、電極式水位センサを用いることができる。

水位センサ１６−１は、貯水槽９１−１内に十分な量の水が存在することを示す水位Ｈ３と、貯水槽９１−１内の水の量が不十分であることを示す水位Ｈ４と、を計測できるように設定する。水位センサ１６−２は、給水タンク１４内に十分な量の水が存在することを示す水位Ｈ５と、給水タンク１４内の水の量が不十分であることを示す水位Ｈ６とを計測できるように設定する。以下、水位Ｈ３を「吸引可能水位」と呼び、水位Ｈ４を「吸引禁止水位」と呼び、水位Ｈ５を「運転停止水位」と呼び、水位Ｈ６を「運転開始水位」と呼ぶ。吸引可能水位Ｈ３は、吸引禁止水位Ｈ４よりも高い位置に設定される（Ｈ３＞Ｈ４）。また、吸引可能水位Ｈ３は、排水部１３の開口面の高さＨ１よりも低い位置に設定され、吸引禁止水位Ｈ４は、取水部１２の開口面の高さＨ２よりも高い位置に設定される（Ｈ１＞Ｈ３＞Ｈ４＞Ｈ２）。運転停止水位Ｈ５は、運転開始水位Ｈ６よりも高い位置に設定される（Ｈ５＞Ｈ６）。

真空ポンプ１７は、排気管１５を通じて給水タンク１４の頂上部と接続され、給水タンク１４内に存在する空気を吸引する。真空ポンプ１７は、制御部１８により稼働状態を制御される。真空ポンプの大きさは、給水タンク１４内に排出される溶存空気の量に依存する。真空ポンプの選定は、想定される排気量や排気速度を考慮して、一般的な真空ポンプの選定基準に従って行えばよい。

制御部１８は、水位センサ１６−１および１６−２が計測する給水タンク１４内の水位および貯水槽９１−１内の水位を参照し、真空ポンプ１７の稼働状態を制御する。制御部１８は、給水タンク１４内の水位が運転開始水位Ｈ６を下回ったときに、貯水槽９１−１内の水位が吸引可能水位Ｈ３を上回っている場合、真空ポンプ１７の運転を開始する。また、制御部１８は、給水タンク１４内の水位が運転停止水位Ｈ５を上回ったとき、または、貯水槽９１−１内の水位が吸引禁止水位Ｈ４を下回ったときに真空ポンプ１７の運転を停止する。すなわち、制御部１８は、給水タンク１４内の水が不十分になったときに貯水槽９１−１内の水が十分に存在すれば真空ポンプ１７の運転を開始して給水タンク１４内の空気を吸い出すことにより、取水部１２の開口部から貯水槽９１−１内の水を給水タンク１４へ吸い上げる。また、給水タンク１４内の水が十分な量となった場合、または、貯水槽９１−１内の水が吸い上げられて十分な量を下回った場合、真空ポンプ１７の運転を停止する。

このようにして、第一実施形態の排水装置は、給水タンク１４内の水位と貯水槽９１−１内の水位を計測し、給水タンク１４への補給が必要となったときに、真空ポンプ１７の運転を開始し、貯水槽９１−１内の水を給水タンク１４へ吸い上げる。このとき、貯水槽９１−１内にサイホン効果を維持するために十分な量の水が確保されるように真空ポンプ１７の運転状態を制御する。これにより、溶存空気の排出により排水装置内の水が減少したときに、自動的に給水タンク内に水を補給することができる。

上記のように構成することにより、第一実施形態の排水装置によれば、給水タンクの水位を定期的に確認し水を補給する保守作業を行う必要がなく、保守作業のコストを低減することができる。

なお、一般的に、水を汲み上げる場合には、水中ポンプを用いることが考えられる。多量の水を短時間に汲み上げるのであれば、真空ポンプよりも水中ポンプの方が有利である。しかしながら、この発明では溶存空気の排出という長期的かつ緩やかな水量の減少を補うことを目的とするため、汲み上げる水量は少量であり長時間かけて汲み上げてもよい。そのため、この発明の用途であれば、小さい真空ポンプであっても適用することが可能である。つまり、この発明では、給水タンクに溜まる空気を吸引する構成としたことで、より小さいポンプを利用することができており、排水装置の製造コストを低減することができるという利点もある。

＜第二実施形態＞
第一実施形態の排水装置では、給水タンク１４内の水位と貯水槽９１−１内の水位を参照し、必要に応じて給水タンク１４内に溜まった空気を吸引することで、貯水槽９１−１から給水タンク１４へ水を吸い上げる構成とした。しかしながら、例えば、天候等の影響でとう道内の漏水が少ないなどの理由により、給水タンク１４内の水量が減少しているにも関わらず、貯水槽９１−１内の水量が十分でない場合には、給水タンク１４内へ水を補給することができない。この状態のまま放置されると、さらに給水タンク１４内の水位は低下し、最終的に送水管１１内に空気が入り込みサイホン効果が失われる事態となる（以下、この状態を「渇水状態」と呼ぶ）。一旦、排水装置が渇水状態となると人手で復旧する必要があるが、従来の排水装置では渇水状態であるか否かを遠隔より検知する手段がなく、定期的に人手で保守点検作業を行わなければならない。そこで、第二実施形態では、排水装置の渇水状態を自動的に検知することができる排水装置を構成する。

第二実施形態の排水装置では、給水タンク１４内の気圧を計測し、その気圧と大気圧との差が予め定めた閾値よりも小さくなった場合に、渇水状態となったものと判定する。図４に示したように、サイホン効果が持続している場合、排水装置の内部に存在する水の重さにより、給水タンク１４内に溜まった空気の気圧は負圧となっている。このとき、給水タンク１４内の水位が下がると給水タンク内の気圧が徐々に大気圧に近づいていき、最終的にサイホン効果が失われて送水管１１内の水がすべて抜けると、給水タンク１４内の気圧は大気圧と等しくなる。この現象を利用して、第二実施形態の排水装置では、給水タンク１４内の気圧が負圧から大気圧付近へ変化したことを検知して、その旨を外部へ通知する。これにより、第二実施形態の排水装置によれば、渇水状態を遠隔から容易に検知できるようになる。

第二実施形態の排水装置は、図６に示すように、第一実施形態と同様、送水管１１、取水部１２、排水部１３、給水タンク１４、排気管１５、水位センサ１６−１および１６−２、真空ポンプ１７、および制御部１８を備え、圧力センサ１９および警報部２０をさらに備える。

圧力センサ１９は、排気管１５の任意の箇所に接続され、給水タンク１４内の気圧を計測する。圧力センサ１９は、気圧を測定可能な圧力センサであればどのようなものを用いてもよい。圧力センサ１９で計測された気圧の値は、警報部２０へ入力される。

警報部２０は、圧力センサ１９により計測される給水タンク１４内の気圧を参照し、給水タンク１４内の気圧が負圧から大気圧付近へ上昇したことを検出し、警報を発報する。警報の発報方法は周知の運用管理技術を用いればよい。例えば、排水装置の周囲に設置した警光灯を点灯することで、遠方から容易に目視確認できるように構成してもよいし、排水装置を有線または無線のネットワークに接続し、同一のネットワークに所属する監視装置に対して、当該排水装置が渇水状態となっていることを通知する情報を電子的に送信するように構成してもよい。。一般的に、とう道内の異常（例えば、火災、有毒ガス、酸欠、あるいは換気ファン、排水ポンプ運転状況など）を常時監視する監視装置が導入されていることが多いため、この監視装置に接続し、排水装置の渇水状態も一元的に監視できるように構成すれば効率的である。

上記のように構成することにより、第二実施形態の排水装置によれば、人手で定期的に保守点検を行わなくとも、排水装置の渇水状態を遠隔から把握することができ、保守作業のコストを低減することができる。

第二実施形態では、第一実施形態の排水装置に対して渇水時に警報を通知する機能を追加する構成を説明したが、同様の考え方により従来の排水装置に対しても渇水時に警報を通知する機能を追加することができる。すなわち、特許文献１に記載された、送水管１１、取水部１２、排水部１３、および給水タンク１４を備える排水装置において、第二実施形態の圧力センサ１９および警報部２０をさらに備えるように構成することで、従来の排水装置であっても渇水時に警報を通知するように構成することが可能である。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、これらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計の変更等があっても、この発明に含まれることはいうまでもない。実施の形態において説明した各種の処理は、記載の順に従って時系列に実行されるのみならず、処理を実行する装置の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行されてもよい。

１１ 送水管
１２ 取水部
１３ 排水部
１４ 給水タンク
１５ 排気管
１６ 水位センサ
１７ 真空ポンプ
１８ 制御部
１９ 圧力センサ
２０ 警報部
９０ とう道
９１ 排水ピット
９２ 揚水ポンプ
９３ 排水升

Claims (3)

1. 上流側先端が貯水槽内に配置され、下流側先端が上記貯水槽外に配置され、上記貯水槽内に貯留された水をサイホン効果により上記貯水槽外へ送り出す送水管と、
   上記送水管の上流側先端において上方に向けて開口することで上記送水管の上流側先端を水封する取水部と、
   上記送水管の下流側先端において上方に向けて開口することで上記送水管の下流側先端を水封し、その開口面が上記取水部の開口面よりも高い位置に配置される排水部と、
   上記送水管の頂上部と連通し、上記送水管に水を供給する、密封された給水タンクと、
   上記給水タンクの頂上部に接続され、上記給水タンク内に存在する空気を吸引する真空ポンプと、
   上記貯水槽内の水位および上記給水タンク内の水位を計測する水位センサと、
   上記水位センサで計測される上記貯水槽内の水位および上記給水タンク内の水位を参照し、上記給水タンク内の水位が所定の運転開始水位を下回ったときに、上記貯水槽内の水位が上記取水部の開口面より高い位置に設定された吸引可能水位を上回っている場合、上記真空ポンプの運転を開始し、上記給水タンク内の水位が上記運転開始水位よりも高い位置に設定された運転停止水位を上回ったとき、または、上記貯水槽内の水位が上記吸引可能水位よりも低い位置に設定された吸引禁止水位を下回ったときに上記真空ポンプの運転を停止する制御を行う制御部と、
   を備える排水装置。
2. 請求項１に記載の排水装置であって、
   上記給水タンク内の気圧を計測する圧力センサと、
   上記圧力センサにより計測される上記給水タンク内の気圧を参照し、上記給水タンク内の気圧が負圧から大気圧付近へ上昇したことを検出して警報を発報する警報部と、
   をさらに備える排水装置。
3. 上流側先端が貯水槽内に配置され、下流側先端が上記貯水槽外に配置され、上記貯水槽内に貯留された水をサイホン効果により上記貯水槽外へ送り出す送水管と、
   上記送水管の上流側先端において上方に向けて開口することで上記送水管の上流側先端を水封する取水部と、
   上記送水管の下流側先端において上方に向けて開口することで上記送水管の下流側先端を水封し、その開口面が上記取水部の開口面よりも高い位置に配置される排水部と、
   上記送水管の頂上部と連通し、上記送水管に水を供給する、密封された給水タンクと、
   上記給水タンク内の気圧を計測する圧力センサと、
   上記圧力センサにより計測される上記給水タンク内の気圧を参照し、上記給水タンク内の気圧が負圧から大気圧付近へ上昇したことを検出して警報を発報する警報部と、
   を備える排水装置。

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