JP6401138B2 - 凍結防止機能付き取水口 - Google Patents

Description

本発明は、浄水場などの各種施設に河川などから水を取り込む取水口に関し、特にその取水口の凍結を防止するのに好適な凍結防止機能付き取水口に関するものである。

従来、河川等の水路には、浄水場等の各種施設に水を導き入れるための取水口が設置される場合がある。取水口は、例えば水路の底面や側壁などに設置される。取水口は一般に、ゴミの流入を防止するため、スクリ−ン、グレーチング等の多数の貫通孔を有する蓋部材で覆われている。

特開２０１３−２３９１０号公報

上記取水口の内、比較的水深の浅い水路の底面に設置される取水口の場合、これを寒冷地で使用すると、取水口が凍結してしまうという問題があった。即ち、寒冷地の冬季において最低気温が−１０℃以下になると、上記凍結が生じていた。取水口が凍結すると、取水口からの取水流量が低下し、浄水場などの各種施設の運転に支障が生じてしまう。

一度凍結が始まると取水流量は低下し続けるため、取水口の氷除去作業が必要になる。特に取水口の凍結が最も起こり易い早朝・夜間帯は、浄水場からの配水流量も増えるため、迅速な対応が求められる。このため、早朝・夜間・休日に関わらず氷除去対応のために緊急動員された作業員が、河川の現地（例えば浄水場から数１０キロ離れた河川の上流）に出向き、氷を手作業で除去する必要があり、その負担が大きかった。

上記問題を解決するため、取水口に凍結防止用熱線ヒーターを設置する方法も考えられるが、氷を溶かす際の熱量（０℃の氷を０℃の水に融解させるための融解熱８０Ｋｃａｌ／ｋｇ）を考慮すると、河川の中では相当な熱量が要求されると考えられ、また実際に実験しても凍結防止効果は小さかった（凍結防止には至らなかった）。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、簡易な構成で、効果的な凍結防止効果を得ることができる凍結防止機能付き取水口を提供することにある。

本願発明者は、河川の水が凍結していないにも関わらず、川底の取水口がなぜ凍結するのかを考察した。そして本願発明者は、取水口凍結時の氷除去復旧作業中、氷の下側から大量の空気が吹き出す現象、及び取水口に凍結した氷は白色になっている現象等に着目し、取水口凍結の原因を以下のように解明した。

即ち、図７に示す従来の取水口１００は、河川１０１の川底１０３に取水渠１０５を埋設し、その上面の開口１０７をグレーチング（蓋部材）１０９によって覆って構成されている。そして河川１０１の水がグレーチング１０９を介して取水渠１０５内に導入され、管路１１１から導出される。

そして本願発明者は、取水口１００の凍結の原因は、流水と一緒にグレーチング１０９の下側（下流側）に取り込まれた空気が、グレーチング１０９の下側からグレーチング１０９の貫通孔１０９ａを介してその上側（上流側）へ浮力によって浮き上がろうとする際に、流入してくる水と混合されることでその水が大きく冷却され、これによってグレーチング１０９の内部及びその周辺において水が凍結（氷１２０）するからであることを見い出した。即ち、水深の比較的浅い水路（例えば水深１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度）においては、水が取水渠１０５に落ち込む際に乱流となって水と一緒に大量の空気が気泡となってグレーチング１０９に流入し、しかも外気温の温度は、−１０℃以下程度と水よりもかなり低いので、多数の気泡となった空気による水の冷却効果が大きく、凍結速度も速く、氷１２０になり易く、その成長も速い。しかも一度凍結が始まると、凍結した氷１２０の下側に更に空気が溜まり易くなってこの低温の空気溜まりによっても水が冷却され、このことからも凍結が加速される。また以上のように凍結が進むため、取水口１００で凍結する氷１２０は気体を多く含むシャーベット状になり、白色になる。

なお、凍結防止対策として、本願発明者は、取水口１００を覆うグレーチング１０９の材質をステンレス製の代りに木製としたり、またはグレーチング１０９に形成されている多数の貫通孔１０９ａの寸法を変更したり、または取水口１００が位置する部分の水深を２倍程度（水深２０ｃｍ→４０ｃｍ）になるようにしたりする各種実験を行ったが、これらの凍結防止対策では、何れも有効な凍結防止効果が得られなかった。

以上のことから、本願発明者は、以下の発明を行った。即ち本発明は、水路の底面に形成された取水用の開口を、複数の貫通孔を有する蓋部材で覆ってなる取水口において、前記取水の際に蓋部材を通してその下流側に流入する空気を排出させるエア抜き管を設置することで、前記取水口の凍結を防止することを特徴としている。
本発明によれば、蓋部材の下側（下流側）に流入した空気をエア抜き管によって排出できるので、取水口に流入してくる水に対して低温の空気が触れる機会を大幅に減少させることができる。これによって、空気による水の過冷却を防止でき、取水口の凍結を効果的に防止することができる。以上のことから、水温や外気温度に関係なく取水流量の安定供給を行うことが可能になる
エア抜き管は、蓋部材の下側（下流側）に流入する空気を排出させる構成であれば、どのような構成でも良く、例えば空気の浮力のみを利用して排出する構成としても良いし、ポンプ等の動力を用いて強制的に排出する構成としても良い。

また本発明は、前記エア抜き管が、前記蓋部材に取り付けられていることを特徴としている。
これによって、蓋部材とエア抜き管とを一体化でき、それらの設置作業等の取り扱いが容易に行えるようになる。

また本発明は、前記エア抜き管が、その下端が前記蓋部材に取り付けられ、その上端が前記水路の水面上の大気中に開口するように、前記蓋部材に立設して取り付けられていることを特徴としている。
これによって、簡単な構成で効果的なエア抜きを行うことができ、取水口の凍結を効果的に防止することができる。

また本発明は、前記取水口の少なくとも一部を覆うように取水整流用部材を設置し、前記取水整流用部材は、その側面に水路を流れる水の流れ方向に対して交差する方向を向く水導入口を設けると共に、その下面に前記水導入口から導入した水を取水口の下流側に流出させる水流出口を設けて構成されていることを特徴としている。
水導入口から取水整流用部材の内部に導入される水は、取水整流用部材を通さないで直接蓋部材から取水口の下側（下流側）に流れ込む流水に比べて、水の流れが弱められて整流化された後に取水口の下側（下流側）に流れ込み、同時に空気の混入量も少なくなる。このため、取水整流用部材を通って取水口の下側（下流側）に流れ込む水は凍結し難く、同時にこの水の水圧によって前記蓋部材の下側に溜まった空気（エア溜まり）をエア抜き管に向けて押し出すことができ、エア抜きの効果を増大することができる。これによってさらに効果的な取水口の凍結防止を図ることができる。

本発明によれば、簡易な構成で、効果的に取水口の凍結防止を図ることができる。

凍結防止機能付き取水口１−１を設置した上水道施設の全体概略図である。 凍結防止機能付き取水口１−１近傍部分の要部拡大斜視図である。 図２のＡ−Ａ断面概略図である。 凍結防止機能付き取水口１−２近傍部分の要部拡大斜視図である。 図４のＢ−Ｂ断面概略図である。 整流用ブロック３０−２を示す図であり、図６（ａ）は上側から見た斜視図、図６（ｂ）は下側から見た斜視図である。 従来の取水口１００近傍部分（図３に対応する部分）の断面概略図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる凍結防止機能付き取水口１−１を設置した上水道施設の全体概略図である。同図に示す上水道施設においては、水路（以下「河川」という）８０の底面（以下「川底（河床）」という）に設置した凍結防止機能付き取水口１−１から自然流下によってその取水渠１１内に河川の水（原水）を取水する。取水渠１１内に取水された水は、沈砂池８３に導かれて砂が取り除かれた後、浄水場８５に導水される。そして浄水場８５において、薬品混和、沈殿、ろ過、滅菌等が行われた浄水は、配水池８７に送水されて蓄えられ、その後、各家庭等８９に送水される。

図２は凍結防止機能付き取水口１−１近傍部分の要部拡大斜視図、図３は図２のＡ−Ａ断面概略図である。両図に示すように、河川８０の川底８１には、河川８０の水の流れに交差するように、略直方体形状の取水渠１１が埋設されている。取水渠１１は例えば鉄筋コンクリート製の略矩形箱型に形成され、その上面が解放されている。前記取水渠１１の上面の開口１３は取水渠１１の長手方向に２つ設けられ、それぞれの開口１３が蓋部材（以下「グレーチング」という）１５によって覆われ、これによって一対の取水口１−１が形成されている。また取水渠１１の１側面には、取水渠１１内に取水した水を沈砂池８３に導く鋼管製等の管路１７が接続されている。

開口１３は略矩形状に形成され、一方、グレーチング１５は前記開口１３に被せてこれを覆う寸法の略矩形状に形成されている。グレーチング１５は、この例では木製であり、板材を格子状に組み上げることで多数の貫通孔１５ａを形成して構成されている。そしてこのグレーチング１５には、エア抜き管１９が取り付けられている。

エア抜き管１９は筒状であって、その上端と下端が解放されており、その下端を前記グレーチング１５に取り付けることでグレーチング１５に対して垂直に立設している。エア抜き管１９の上端は略水平方向に向くように屈曲され、その開口は横向きとなっている。エア抜き管１９の上端は、河川８０を流れる水の水面よりも上方で常に大気中に開口する位置に設置されている。エア抜き管１９は、この例では塩化ビニール製の円形の管で形成されている。

以上のように構成された取水口１−１に河川８０を流れる水が流入すると、河川８０の水深が比較的浅いような場合（水深５０ｃｍ以下程度）は、流入する水と共に多くの空気がグレーチング１５の下流側に取り込まれる。一方、エア抜き管１９の内部は、略静止した水がこれを満たし、その水面は河川８０の水面と同一になっている。そして、前記グレーチング１５の下面側に取り込まれた空気は、グレーチング１５の下面側を通って前記エア抜き管１９の下端まで移動し、その内部に入り込み、エア抜き管１９内を浮上して外気に放出される。即ち、グレーチング１５の下面側のエア抜き管１９を設置した部分以外の部分には、常に、水が入り込んでいるため、前記取り込まれた空気は上昇し難いが、エア抜き管１９の下端の下側部分はそのような下向きの水流がないので、前記取り込まれた空気はエア抜き管１９の周囲からエア抜き管１９に向かって集まり易く、また一旦エア抜き管１９の下端近傍に集まった空気はエア抜き管１９内を浮力で上昇し易い。つまり、グレーチング１５の下面側に取り込まれた空気は、エア抜き管１９によってスムーズに排出されるので、グレーチング１５の下側に空気溜まりが生じることはなく、同時にエア抜き管１９を接続した以外の部分からグレーチング１５の貫通孔１５ａを介してその上側（上流側）へ排出される空気も少なくなり、これらのことから取水口１−１に流入する水の冷却が抑制され、その凍結を防止することができる。

実際に、エア抜き管１９の内径φ１００ｍｍのものを使用した取水口１−１を、通常水位１０ｃｍ〜２０ｃｍの河川８０の川底８１に設置した場合について、検証した。その結果、寒波により外気温が−１８℃になっても、前記取水口１−１に凍結は生じなかった。これによって、前記エア抜き管１９に効果的な凍結防止効果があることを確認できた。また大雪の際にも、アイスジャム混入による取水口１−１の凍結・閉塞は生じず、本発明が降雪時でも効果があることが分かった。

図４は本発明の他の実施形態にかかる凍結防止機能付き取水口１−２の要部拡大斜視図、図５は図４のＢ−Ｂ断面概略図である。この取水口１−２において、上記取水口１−１と相違する点は、上記取水口１−１の構成に加えて、取水整流用部材（以下「整流用ブロック」という）３０−２を設置した点のみである。図４、図５に示す取水口１−２において、前記図１〜図３に示す取水口１−１と同一又は相当部分には同一符号を付す（但し、各符号には、添え字「−２」を付す）。なお以下で説明する事項以外の事項については、前記図１〜図３に示す実施形態と同じである。

即ち、取水口１−２は、グレーチング１５−２に上記取水口１−１と同様のエア抜き管１９−２を設置し、さらに整流用ブロック３０−２を取水口１−２（即ち、グレーチング１５−２）の一部を覆うように設置して構成されている。

図６は、前記整流用ブロック３０−２を示す図であり、図６（ａ）は上側から見た斜視図、図６（ｂ）は下側から見た斜視図である。同図に示すように、整流用ブロック３０−２は、この例では木製で略矩形箱型に形成され、その下面は開放された水流出口３１−２になっている。また整流用ブロック３０−２の長手方向に沿う１側面には、縦方向（垂直方向）に向かって細長形状で、横方向（水平方向）に向かって複数個並列に形成された貫通孔からなる水導入口３３−２が設けられている。

そして整流用ブロック３０−２は、水流出口３１−２を下にして、その長手方向が河川８０−２の流れ方向に略沿うようにグレーチング１５−２上に取り付けられ、これによって、各水導入口３３−２が河川８０−２を流れる水の流れ方向に対して交差（この例の場合は直交）する方向を向くようにしている。なおこの例では、整流用ブロック３０−２の長手方向の長さ寸法は、グレーチング１５―２の幅方向（短手方向）の長さ寸法とほぼ一致している。またこの取水口１−２のグレーチング１５−２は、整流用ブロック３０−２を載せた部分の貫通孔１５ａの大きさを、他の部分の貫通孔１５ａの大きさよりも大きく形成し、これによって河川のゴミの流入を抑止しつつ、且つ水の流れがスムーズになるようにしている。

以上のように構成された取水口１−２に河川８０−２を流れる水が流入すると、河川８０−２の水深が比較的浅いような場合（水深５０ｃｍ以下程度）は、流入する水と共に多くの空気がグレーチング１５−２の下流側に取り込まれる。一方で整流用ブロック３０−２内には、河川８０−２の水の流れに交差する方向を向く水導入口３３−２から水が流入するので、前記水の流れが弱められた状態で整流用ブロック３０−２内に水が入り込み、その後水流出口３１−２からグレーチング１５―２の下側に向かって水が流出する。このとき、水導入口３３−２から流れ込む水は、水の流れが弱められて整流化されており、同時に空気の混入量も少ない。このため、整流用ブロック３０−２を通ってグレーチング１５−２の下流側に流れ込む水は凍結し難い。同時に、整流用ブロック３０−２内に入り込んだ水の水面は、河川８０−２の水面とほぼ同一になっている。以上のことから、整流用ブロック３０−２を設置した以外の部分のグレーチング１５−２から流入した多量の空気がグレーチング１５−２の下側にエア溜まりを形成しようとした際、エア溜まりとなっていない前記整流用ブロック３０−２の下側の水がその水圧によって、前記エア溜まりを、エア抜き管１９−２に向けて押し出し、排気する。これによって、エア抜き管１９−２のみの場合に比べて、そのエア抜き効果が増大する。これによってさらに効果的な取水口１−２の凍結防止を図ることができる。

実際に、上記検証に用いた取水口１−１に、さらに上記整流用ブロック３０−２を設置した取水口１−２を、通常水位１０ｃｍ〜２０ｃｍの河川８０の川底８１に設置した場合について、検証した。前記取水口１−１の場合、外気温が−１８℃よりも低温（−２０℃程度）になったときは、凍結が生じた。このとき、エア抜き管１９より中を覗くと、グレーチング１５の下側に空気の層が形成されていた。これは、著しい気温の低下により取水流量と空気が抜けるバランスが崩れ、凍結が進行したものと考えられる。一方、取水口１−２の場合、寒波により外気温が−２０℃になっても、前記取水口１−２に凍結は生じなかった。これによって、前記エア抜き管１９と整流用ブロック３０−２を併せて用いることで、さらに効果的な凍結防止効果を発揮できることが確認できた。この凍結防止効果の向上は、上述のように、整流用ブロック３０−２内の水の水圧によってグレーチング１５―２の下側に溜まった空気（エア溜まり）をエア抜き管１９−２に向けて押し出すことで、低温になっても取水流量と空気が抜けるバランスを維持できるためと考えられる。

ところで上記各実施形態では１つの取水渠１１，１１−２に２つの開口１３，１３−２を設け、それぞれの開口１３，１３−２に１つずつグレーチング１５，１５−２を設置し、さらに各グレーチング１５，１５−２に１つずつエア抜き管１９，１９−２や整流用ブロック３０−２を設置したが、これら取水渠、開口、グレーチング、エア抜き管、整流用ブロックの数は、必要に応じて種々の変更が可能であることは言うまでもない。即ち例えば、１つのグレーチング１５，１５−２に対してその下側に取り込まれた気泡は、必ずしも１箇所に集中するとは限らないので、必要に応じて１つのグレーチング１５，１５−２の複数箇所にエア抜き管１９，１９−２や整流用ブロック３０−２を設置することが望ましい。

また上記実施形態では、グレーチング１５，１５−２を木製、エア抜き管１９，１９−２を塩化ビニール製、整流用ブロック３０−２を木製とし、これによって取水口１−１，１−２に設置する各部材の重量を軽くするように構成したが、これら各部材は、それぞれ、金属製、木製、合成樹脂製等、必要に応じてその材質を変更しても良い。なお、グレーチング１５，１５−２は、これを木製で構成しても、金属製で構成しても、凍結防止効果に変化は見られなかった。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施形態では、整流用ブロックの一方の側面のみに水導入口を設けたが、対向するもう一方の側面にも水導入口を設けても良い。また上記実施形態では、グレーチングに孔を設けてその中にエア抜き管の下端部分を挿入して取り付けたが、グレーチングの上面（即ち多数の貫通孔の上）にエア抜き管の下端を固定する構成等でも良い。また上記実施形態では、グレーチングの上面（即ち多数の貫通孔の上）に整流用ブロックを載置する構成としたが、グレーチングに孔を設けてその中に整流用ブロックを挿入して取り付けても良い。また上記実施形態では、エア抜き管をグレーチングに立設させ、これによって、簡単な構成で効果的なエア抜きを行うことができるように構成したが、本発明はこれに限らず、例えば、エア抜き管の一端をグレーチングの下面側に位置させて取り付け、他端をグレーチングとは別の場所（例えば地上）にまで引き延ばしてその先端を開放するように構成したり、上記各実施形態のように空気の浮力のみを利用して空気をエア抜き管から排出する構成に代えて、ポンプ等を用いて強制的に空気を排出する構成にしたりしても良い。また蓋部材はグレーチング以外の各種スクリーン等であっても良く、要は複数の貫通孔を有する蓋部材であれば、どのような構成であっても良い。また本発明は、浄水場以外の各種施設や設備等（例えば農業用水路や工業用水路等の取水口）にも同様に適用できる。また上記例では、整流用ブロックは、その水導入口が河川を流れる水の流れ方向に対して直交する方向を向くように設置したが、必ずしも直交する方向を向く必要はなく、直交よりも大きい角度又は小さい角度の方向を向くように設置しても良い。即ち、要は、河川を流れる水の流れを弱めて導入できる方向を向いていれば良く、具体的には、河川を流れる水の流れ方向に対して交差する方向を向いていれば良い。

また、上記各図で示した実施形態は、その目的及び構成等に矛盾がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、各図の記載内容は、それぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１−１，１−２ 凍結防止機能付き取水口
１１，１１−２ 取水渠
１３，１３−２ 開口
１５，１５−２ グレーチング（蓋部材）
１５ａ，１５ａ−２ 貫通孔
１７，１７−２ 管路
１９，１９−２ エア抜き管
３０−２ 整流用ブロック（取水整流用部材）
３１，３１−２ 水流出口
３３，３３−２ 水導入口
８０，８０−２ 河川（水路）
８１，８１−２ 川底（底面）
８３ 沈砂池
８５ 浄水場
８７ 配水池
８９ 各家庭等

Claims (4)

1. 水路の底面に形成された取水用の開口を、複数の貫通孔を有する蓋部材で覆ってなる取水口において、
   前記取水の際に蓋部材を通してその下流側に流入する空気を排出させるエア抜き管を設置することで、前記取水口の凍結を防止することを特徴とする凍結防止機能付き取水口。
2. 請求項１に記載の凍結防止機能付き取水口であって、
   前記エア抜き管は、前記蓋部材に取り付けられていることを特徴とする凍結防止機能付き取水口。
3. 請求項２に記載の凍結防止機能付き取水口であって、
   前記エア抜き管は、その下端が前記蓋部材に取り付けられ、その上端が前記水路の水面上の大気中に開口するように、前記蓋部材に立設して取り付けられていることを特徴とする凍結防止機能付き取水口。
4. 請求項１又は２又は３に記載の凍結防止機能付き取水口であって、
   前記取水口の少なくとも一部を覆うように取水整流用部材を設置し、
   前記取水整流用部材は、その側面に水路を流れる水の流れ方向に対して交差する方向を向く水導入口を設けると共に、その下面に前記水導入口から導入した水を取水口の下流側に流出させる水流出口を設けて構成されていることを特徴とする凍結防止機能付き取水口。

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