JP6739283B2 - 液体注入装置および水処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体注入装置および水処理装置に関する。さらに詳しくは、薬剤などの液体を単位時間当たり一定量供給することができる液体注入装置、およびこの液体注入装置が備えられている水処理装置に関する。

容器に貯留された液体を他の容器に、あらかじめ定められた量だけ供給する装置として、例えば特許文献１や特許文献２に記載された装置がある。特許文献１に記載の発明は、毛細管現象とサイホンの原理を利用した園芸自動給水装置に関するものであり、親水性材料を充填した逆Ｕ字管の一端を供給される液体に浸し、他の一端を供給対象容器に取付ける構成により、動力なしで容器に貯留された液体が供給される。

また、特許文献２には、サイホンの原理を利用した液体移送装置が開示されている。この液体移送装置は、供給槽と受け槽とを結ぶホースが２つのバルブにより仕切られ、この仕切られた部分が別のバルブを介して減圧手段に連結されており、この減圧手段により仕切られた部分を減圧することで、ホースの中が液体で満たされ、液体の移送が可能となる構成である。

しかし、上記の装置はいずれも、供給側の容器に貯留された液体の量が少なくなると、供給側の容器の液面と、ホースの吐出側の液面との差が小さくなり、ホースにより供給される液体の量が徐々に少なくなるという問題がある。すなわち、上記の液体注入装置をｐＨ調整や殺菌消毒、化学反応などのために用いようとすると、供給側の容器の液体の残留量に依存して、単位時間当たり供給される液体の量が異なるという問題がある。

また、単位時間当たり一定量の液体を供給するために、ポンプを用いた液体注入装置を用いることも可能であるが、コストが高くなるとともに、システムを構成する要素の数が飛躍的に増えることになる。そのため液体注入装置が置かれる環境によっては、システムが故障する頻度が増えるという問題がある。

米国特許第６１７８９８４号明細書 特開２００２−２４０８９８号公報

本発明は上記事情に鑑み、安価かつ故障頻度が少ない液体注入装置であって、薬剤などの液体を供給側の液体の量に依存せず、単位時間当たり一定量供給することが可能であるものを提供することを目的とする。

第１発明の水処理装置は、液体を貯留する液体供給容器と、該液体上に浮かんでいる浮上体と、該浮上体と結合される液体注入装置を備えた水処理装置であって、前記液体が通過する管状体と、を少なくとも含んで構成され、該管状体の一方の開放端部は前記液体内に浸漬されているとともに、他方の開放端部は前記液体の液面よりも下方に配置されており、前記管状体の内部には、繊維材が充填されていることを特徴とする。
第２発明の水処理装置は、第１発明において、前記管状体の全体が、前記液体供給容器内部に位置していることを特徴とする。
第３発明の水処理装置は、第１発明または第２発明において、前記管状体の他方の端部には、該他方の端部から流出する液体を供給対象容器に導く導流管が、遊嵌するように連結されていることを特徴とする。
第４発明の水処理装置は、第１発明から第３発明のいずれかにおいて、前記繊維材は、該繊維材を構成する繊維の表面における、水に対する接触角が９０°以下であることを特徴とする。
第５発明の水処理装置は、第１発明から第４発明において、前記繊維材は、抗菌処理が行われていることを特徴とする。

第１発明によれば、容器内の浮上体と結合されている管状体の一方の開放端部が液体に浸漬され、他方の開放端部が液体の液面よりも下方に配置されており、管状体の内部には繊維材が充填されていることにより、サイホンの原理、および毛細管現象を用いて、容器内の液体の量に依存せずに、単位時間当たり一定量の液体を供給することができる。また、ポンプなどの機械要素を用いていないので、故障等を起こすことが少ない。
加えて、水処理装置に、液体注入装置が備えていることにより、長期にわたって、単位時間当たり一定量の薬剤等が供給されるので、処理装置内の薬剤の効果が安定的に発揮される。
第３発明によれば、管状体の他方の端部には、流出する液体を供給対象容器に導く導流管が、遊嵌するように連結されていることにより、液面が下がり浮上体の位置が下がった場合でも、浮上体等の姿勢が変化して、液体注入装置の液体注入の機能が働かなくなることを防止できる。
第４発明によれば、繊維材は、芯材となる繊維質の表面における、水に対する接触角が９０°以下であることにより、管状体の高さを高くすることができ、管状体の設計の自由度を高くすることができる。
第５発明によれば、繊維材は、抗菌処理が行われていることにより、管状体内での生物膜形成による詰まりを防ぐことができ、管状体を長期にわたって安定的に使用することができる。

本発明の第１実施形態に係る液体注入装置の模式図（液体供給容器内の液面レベルが高い場合）である。 図１の液体注入装置の模式図（液体供給容器内の液面レベルが低い場合）である。 図１の液体注入装置に使用されている管状体の断面図である。 毛細管チューブ内において液体が上昇する高さと毛細管の等価半径との関係を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る液体注入装置の模式図（液体供給容器内の液面レベルが高い場合）である。 図４の液体注入装置の模式図（液体供給容器内の液面レベルが低い場合）である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る液体注入装置１０の模式図である。この液体注入装置１０は、毛細管現象とサイホンの原理を利用するものであり、図１は、液体供給側の容器の液面レベルが高い（ＨＬ）場合を示している。

本実施形態に係る液体注入装置１０は、薬剤などの液体を貯留する液体供給容器１１と、この液体供給容器１１内の液体上に浮かんでいる浮上体１２と、この浮上体１２と結合され、液体が通過する管状体１３と、を少なくとも含んで構成されている。

液体供給容器１１は、あらかじめ定められた液剤を貯留することができる材質で構成されており、プラスチックや金属が好適に用いられる。また、内部の液体量を把握するために、容器全体または一部が透明である場合もある。液体供給容器の容量は様々であるが、例えば５０〜３００リッター程度の容量を持つものが好適に使用される。

浮上体１２は、液体に浮かぶことができる材質と形状で構成され、管状体１３が浮上体１２に固定されている。浮上体１２は、液体供給容器１１内の液体の量により、液面レベルに追随して上下に移動するため、液体供給容器１１内面と接触してその移動が妨げられない形状を採用している。例えば扁平な円板形状が好ましい。また、浮上体１２は、管状体１３などの重量が加わっても沈まないように、十分な大きさを有している。

管状体１３は、管状体１３の一方の開放端部である、液体の流入側開放端部１３ａが、液体内に浸漬されるように浮上体１２に結合されている。また管状体１３の他方の開放端部である、液体の流出側開放端部１３ｂが、液体の液面よりも下方に配置されている。管状体１３の両端にある開放端部がこのように構成されていることにより、サイホンの原理と毛細管現象により、液体供給容器１１内から管状体１３を通じて、液体が流出側開放端部１３ｂから流出する。

管状体１３は、逆Ｕ字形であることが好ましい。ただしこの形状に限定されるものではなく、逆Ｖ字形であっても問題ないし、Ｕ字の端部が鉛直でない形状であっても問題ない。また、管状体１３の材質は、本実施形態ではプラスチックであるが、特にこれに限定されない。加えて、管状体１３は、後述する繊維材１６が充填されているが、繊維材１６を保持することができる形状であれば問題ない。例えば、管状体１３の軸方向に平行な切欠きが設けられている形状も含む。

本実施形態に係る液体注入装置１０は、液体注入装置１０とは別に設けられている、供給対象容器である処理容器２１に、単位時間当たりに一定量の液体を注入する装置である。処理容器２１で行われる処理については特に限定されないが、排水処理などが該当する。処理容器２１には、伸縮自在管状体１５と導流管２２を通じて液体注入装置１０内の液体が供給される。導流管２２は液体注入装置１０に対し支持部材２３によって固定されている。なお、本実施形態に係る液体注入装置１０は、液体注入装置１０単体として取引をされる場合と、処理容器２１に付属した形で取引される場合がある。また、処理容器２１で行われる処理が、脱リン処理や殺菌・消毒処理などの排水処理である場合、処理容器２１を含む水処理装置として取引される。脱リン処理の場合、例えば１時間５ｃｃ程度の液体脱リン剤を注入する場合、容量が５０リッターの装置１０から、約１年間程度持続して供給されることになる。

本実施形態に係る液体注入装置１０は、管状体１３の流出側開放端部１３ｂと連結し、上下方向に伸縮可能である伸縮自在管状体１５が設けられている。伸縮自在管状体１５は、比較的柔らかい材料であることにより上下方向に伸縮自在とすることができる構成のほか、コイリングチューブのような構成を採用することで伸縮自在とすることもできる。なお、伸縮自在管状体１５と導流管２２は、流出側開放端部１３ｂの内部の液体が伸縮自在管状体１５および導流管２２の内部の液体と連続流にならないように、導流管２２は十分に太い内径を有している。流出側開放端部１３ｂの内部の液体が伸縮自在管状体１５および導流管２２の内部の液体と連続流になると、液体注入装置１０からの液体の流出量が液体注入装置１０の液体の残量に依存するようになるからである。

本実施形態に係る液体注入装置１０の管状体１３内には、図３に示すように、芯材として繊維材１６が充填されている。この繊維材１６は、親水性のある繊維を束ねたものである。繊維材１６の材質は、天然繊維、化学繊維、無機繊維、炭素繊維およびこれらの表面改質されたものいずれか、または複数の繊維から選ばれている。繊維材１６の表面における、水に対する接触角（θ）は９０°以下が好ましく、さらには１５°以下がより好ましい。接触角は、小さいほど濡れ性が良くなり、毛細管現象による液体の上昇高さを高くすることができる。なお、繊維材１６を構成する繊維の全てが、接触角が９０°以下であることが好ましいが、繊維の一部の接触角が９０°以下であっても問題ない。繊維材１６は、例えば医療機関で使用される脱脂綿であれば、水に対する接触角が１５°前後であり好ましく使用することができる。

繊維材１６の繊維の太さは１〜１００μｍ、好ましくは５〜５０μｍである。繊維の太さが細いほど、繊維と繊維との間で形成される毛細管の等価半径が小さくなり、毛細管現象による液体の上昇高さを高くすることができる。ただし、繊維の太さが細くなり過ぎると、管状体１３の断面における単位面積当たりの通液量が少なくなる。図４には、液面の上昇高さを表す式１を用いて作成した、本実施形態に係る管状体１３での液体の上昇する高さと、毛細管の等価半径との関係を示す。この図より、繊維材１６の繊維の太さは、上記で示すように１〜１００μｍ、好ましくは５〜５０μｍとなる。

ｈ：液面の上昇高さ（ｍ）
Ｔ：表面張力（Ｎ／ｍ）
θ：接触角（°）
ρ：液体の密度（ｋｇ／ｍ^３）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）
ｒ：毛細管の半径（ｍ）

繊維材１６の繊維には、抗菌処理を行われていることが好ましい。この抗菌処理には具体的に、銀化合物、炭化水素類、アルコール・フェノール類、カルボン酸およびその塩類、アミン類、第４級アンモニウム化合物、キトサン類、草木抽出物などの抗菌性を有する物質を繊維表面に固着させる方法が用いられる。これにより、管状体１３内での生物膜形成による詰まりを防ぐことができ、管状体１３を長期にわたって安定的に使用することが可能となる。

管状体１３を通過する液体の流速は、ベルヌーイ定理から導かれる式２により求めることができる。式２によると、管状体１３の流入側開放端部１３ａと流出側開放端部１３ｂとの落差Δｈの値が大きいほど、また管状体１３の抵抗損失ｈ_Ｌが小さいほど、流速ｕが速くなる。このことを利用して、管状体１３を通過する液体の流速を任意に設計できる。

ｕ：毛細管チューブ内の流速（ｍ／ｓ）
Δｈ：毛細管チューブ入口と出口の高低差（ｍ）
ｈ_Ｌ ：毛細管チューブ内の抵抗損失（ｍ）
ｇ：重力加速度（ｍ／ｓ^２）

管状体１３を通過する液体の流量は、式３により求めることができる。式３中のＡは、管状体１３の有効断面積、つまり繊維と繊維との間で形成される毛細管の断面積である。式３によると、管状体１３の有効断面積が大きいほど、流量が大きくなる。このことを利用して、管状体１３を通過する薬液の流量を任意に設計できる。

Ｑ：毛細管チューブ内の流量（ｍ^３／ｓ）
Ａ：毛細管チューブの有効断面積（ｍ^２）

本実施形態に係る液体注入装置１０の使用方法について説明する。
液体注入装置１０には、内部に管状体１３と結合されている浮上体１２を設ける。このとき管状体１３内部にはすでに繊維材１６が充填されている。さらに導流管２２を液体注入装置１０の底部に設ける。この導流管２２の外周からは液体注入装置１０内の液体が漏れないように、導流管２２は底部に水密に固定される。そして管状体１３の流出側開放端部１３ｂと導流管２２の端部とを、伸縮自在管状体１５により連結する。なお、流出側開放端部１３ｂと、伸縮自在管状体１５と、導流管２２とは、水密に連結されており、液体供給容器１１内の液体は、管状体１３を通してのみ、これらの管内に供給される。

この状態で、液体注入装置１０の内部に薬剤などの液体を注入し、図１にあるＨＬ（ハイレベル）の状態に液面を到達させる。このとき液体には、次亜塩素酸ナトリウム、ベンザルコニウム塩化物、ベンゼトニウム塩化物などの殺菌消毒剤を配合させるのが望ましい。このように液体注入装置１０を使用することにより、管状体１３内での生物膜形成による詰まりを防ぐことができるとともに、液体注入装置１０内部の液体が腐敗するのを防止できる。

管状体１３を通過する液体の流速および流量は、管状体１３の直径や繊維材１６の接触角、太さなどにより決定されているので、液体注入装置１０は、あらかじめ定められた量を、あらかじめ定められた期間だけ内部の液体を外部の処理容器２１へ注入することができる。そして、図１のＨＬから図２のＬＬ（ローレベル）に至るまで内部の液体を移送する。液体が流出し、図２の状態になった場合でも、伸縮自在管状体１５が上下方向に伸縮するので、浮上体１２の姿勢が変化することはなく、また、液体の注入量も変化しない。この状態から、再度液体を注入し、液面をＨＬとすることで、再度液体注入を行うことが可能となる。

図５、図６には、本発明の第２実施形態に係る液体注入装置の模式図を示す。図５は液面レベルが高い場合、図６は液面レベルが低い場合である。第２実施形態の液体注入装置の、第１実施形態との相違点は、浮上体１２と結合される管状体１３の形状と、管状体１３の流出側開放端部１３ｂと導流管２２との連結構造である。

第２実施形態における液体注入装置１０では、管状体１３は、液体供給容器１１のトップカバーを貫通して取り付けられている。そして、図６に示すように液面がＬＬになった時でも、管状体１３の上部が、液体供給容器１１のトップカバーに接触しない構成とする。

導流管２２の上端にある誘導部２２ａは、漏斗のように上方向に行くにしたがって直径が拡大する形状を採用し、導流管２２の内面に管状体１３の外周が遊嵌する構成である。このような構成により、液体注入装置１０内の液面が変動しても、管状体１３が液体供給容器１１内の液面に追随して上下方向に移動するので、浮上体１２の姿勢が変化することはなく、また、液体の注入量も変化しない。

１０ 液体注入装置
１１ 液体供給容器
１２ 浮上体
１３ 管状体
１３ａ 流入側開放端部（一方の開放端部）
１３ｂ 流出側開放端部（他方の開放端部）
１５ 伸縮自在管状体
１６ 繊維材

Claims (5)

1. 液体を貯留する液体供給容器と、該液体上に浮かんでいる浮上体と、
   該浮上体と結合され、前記液体が通過する管状体と、を少なくとも含んで構成される液体注入装置を備えた水処理装置であって、
   該管状体の一方の開放端部は前記液体内に浸漬されているとともに、
   他方の開放端部は前記液体の液面よりも下方に配置されており、
   前記管状体の内部には、繊維材が充填されている、
   ことを特徴とする水処理装置。
2. 前記管状体の全体が、前記液体供給容器内部に位置している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水処理装置。
3. 前記管状体の他方の端部には、
   該他方の端部から流出する液体を供給対象容器に導く導流管が、遊嵌するように連結されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の水処理装置。
4. 前記繊維材は、
   該繊維材を構成する繊維の表面における、水に対する接触角が９０°以下である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水処理装置。
5. 前記繊維材は、
   抗菌処理が行われている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の水処理装置。