(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にサイホンを形成するサイホン配管をポンプ吐出側に接続したポンプ設備において、
前記サイホン配管の頂部に配置される頂部配管に設けたサイホンブレーク用配管を前記頂部配管の内部に張出させ、該サイホンブレーク用配管の下端に、水流に対し並行に配設された略平板状の板材から成る空気流出部を取付けたことを特徴とするポンプ設備。
【請求項２】
前記空気流出部を形成する前記板材に複数の空気流出口を設けたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプの吐出側に接続されるサイホン配管内にサイホンを形成させて運転を行うポンプ設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプ主配管に吐出弁等の弁類を設置する必要をなくして、簡素化を図ったポンプ設備として、ポンプの吐出側に接続されるサイホン配管内にサイホンを形成させて運転を行うポンプ設備（サイホン型ポンプ設備）が知られている。
【０００３】
図１は、この種の従来の一般的なポンプ設備を示す。図１に示すように、ポンプ設備は、駆動機１０の駆動に伴うインペラ１２の回転で吸込水槽１４内の水１６の揚水を行うポンプ１８を備えている。ポンプ１８の吐出口には、サイホン配管２０の一端が接続され、サイホン配管２０の開口端２２は、吐出水槽２４の内部に位置して、吐出水槽２４内に溜められた水２６の中に没するようになっている。
【０００４】
サイホン配管２０は、垂直に立上る立上り配管２８、頂部で水平に延びる頂部配管３０、垂直に垂下する垂下配管３２、立上り配管２８と頂部配管３０を繋ぐ上流側エルボ配管３４、及び頂部配管３０と垂下配管３２とを繋ぐ下流側エルボ配管３６を有しており、頂部配管３０の頂部に、運転停止時にサイホン配管２０の内部に空気を導入してサイホンを破壊することで、吸込水槽１４側への逆流を防止するサイホンブレーカ３８が設けられている。このサイホンブレーカ３８は、頂部配管３０に連通するサイホンブレーク用配管４０と該配管４０を開閉する電動弁等からなる開閉弁４２とを有している。
【０００５】
頂部配管３０としては、図２（ａ）に示すように、汎用性のある横断面の円形の円管が一般に使用されているが、特に管径（＝ポンプ口径）が1000mm以上の比較的大きなポンプ設備においては、管頂レベルＰＴＬを少しでも低くして、土木建築駆体の省スペース化、低コスト化等を図るため、図２（ｂ）に示すように、円管とほぼ同じ面積を有する扁平した矩形管を使用することも広く行われている。
【０００６】
なお、この例では、設備を簡素化するため、ポンプ１８の自己サイホン運転（一時的に実揚程がサイホン配管の略頂部となる運転）によってサイホン配管２０内にサイホンを形成するようにしているが、真空ポンプによりサイホン配管２０内に水を満たして運転する方法も行われている。また、垂下配管３２の下に下方に向けて徐々に拡がる末広管４４を連結し、これによって、放流損失（ｖ２／２ｇ）を少なくして、損失水頭が少なくなるようにしているが、末広管の代わりに直管を使用する場合もある。
【０００７】
このポンプ設備にあっては、吸込水槽１４が所定の水位に達した時等に、駆動機１０を駆動することでポンプ１８のインペラ１２を回転させ、吸込水槽１４内の水１６を、サイホン配管２０を通して、吐出水槽２４内に揚水する。サイホン配管２０のサイホン形成時における実揚程Ｈａは、吐出水位と吸込水位との差になる。また、サイホン配管２０におけるサイホン非形成時（形成過程時）は、サイホン配管２０の上部までポンプ１８によって押し上げられた水が越流していくので、その時の実揚程Ｈｂは、サイホン配管２０の頂部越流水面と吸込水位との差となる。
【０００８】
従来のサイホンを形成させて運転を行うポンプ設備のポンプ始動初期（＝サイホン非形成時）は、実揚程の高い運転、つまり小水量運転状態にあり、管内流速が遅く、サイホン配管２０内の空気を連行しにくい状態にある。そして、ポンプ始動後、頂部配管３０の管内水位が上昇し、図３に示すように、管内水位レベルＷＬが高くなって管頂レベルＰＴＬ（図１参照）の近くに達する。このような状態においては、管内の水流表面が穏やかな流れとなり、頂部配管３０内に残留した空気を水流が巻き込みにくくなる。このため、最終的に管内空気が全て排出されてサイホンを形成するまでに５〜１０分程度と長い時間を要してしまう。このようにサイホン形成に長時間を要すると、急激な流入を伴う排水機場においては、サイホンが形成され、ポンプが定格（規定）の排水運転を行うまでの小水量運転時間（始動時間）により排水が間に合わず、浸水被害を及ぼす危険性があり、少しでも早いサイホン形成（＝定格排水量での運転）が強く求められている。
【０００９】
ここで、開水路（大気と接触する面を有する）流れの水流表面状態は、下記のフルード数Ｆｒにより判断できる。
Ｆｒ＝Ｖ／（ｇｈ）１／２
ここに、Ｖ：平均流速、ｇ：重力加速度、ｈ：水深（水理学的水深）
【００１０】
このフルード数Ｆｒは、その値が０に近いほど穏やかな表面流れになる。このため、図３に示すように、完全サイホン形成前の頂部配管３０内の水深ｈが大きな状態は、フルード数Ｆｒの値が小さくなって水流表面が穏やかな流れ状態となる。このため、頂部配管３０内に残留した空気を水流が巻き込みにくくなる。
【００１１】
また、前述のように、簡素化のため吐出弁を省略した場合、ポンプによるサイホン運転後、ポンプを停止した時に、サイホン配管に空気を注入してサイホンブレークを確実に行わなければ、吐出河川水等が吸水槽に逆流し、浸水被害をもたらす危険性があり、確実なサイホンブレークによる信頼性の確保が強く求められている。
【００１２】
通常、サイホンブレーカ３８のサイホンブレーク用配管４０は頂部配管３０に連通して設けられ、電動弁等の開閉弁４２によりサイホンブレーク用配管４０を開閉制御することで、ポンプ停止時にサイホン配管２０内のサイホンをブレークしてポンプ停止時の逆流を防止しているが、サイホンブレーク用配管は一般に単数であり、また、サイホンブレーク用配管への塵芥の付着等の恐れがあるため信頼性に問題があった。サイホンブレーカ３８を複数設置するなどの対策も取られるが、このようにサイホンブレーカ３８を複数設置すると、設置費用が大きくなり、しかも維持管理機器が増えてしまうという課題があった。
【００１３】
このようなサイホン運転を行うポンプ設備の課題を解決するため、吐出配管（サイホン配管）の頂部付近に位置して吐出配管内流路を二経路に仕切る仕切板を設けるとともに、吐出配管の仕切板の上流側に位置して噴流設備を設け、噴流設備の噴流による水流を仕切板で仕切られた一流路に導いて流速を上げることで、サイホン形成時間を短縮するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。しかし、この場合、噴流設備が別途必要になるとともに、吐出管路内に仕切板を設置する必要があって、設備費（噴流設備＋吐出管費用）が高価となるばかりでなく、仕切板への塵芥の絡み付きの懸念が考えられる。仕切板に塵芥が絡み付くと、吐出配管の閉塞等、ポンプの送水機能に影響を与える可能性がある。
【００１４】
また、サイホン管の頂上部と下降部分に位置する管の内壁（下面）に流動抵抗機能を有する階段状の形状や突起物を設けることで、サイホン形成時間を短縮するようにしたものが提案されている（特許文献２参照）。しかし、この場合、サイホン管が特殊仕様となって高価となるばかりでなく、流動抵抗機能を有する階段状の形状や突起物に塵芥堆積したり絡み付いてしまうという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平０５−２８８２００号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８０００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、内部にサイホンを形成するサイホン配管をポンプ吐出側に接続したポンプ設備において、維持管理性、経済性及び信頼性を向上させたポンプ設備を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１に記載の発明は、内部にサイホンを形成するサイホン配管をポンプ吐出側に接続したポンプ設備において、前記サイホン配管の頂部に配置される頂部配管に設けたサイホンブレーク用配管を前記頂部配管の内部に張出させ、該サイホンブレーク用配管の下端に、水流に対し並行に配設された略平板状の板材から成る空気流出部を取付けたことを特徴とするポンプ設備である。
【００１８】
このように、サイホンブレーク用配管の下部の空気流出部を頂部配管の内部に張出させて設けることにより、頂部配管の内部に張出した空気流出部の下流に渦（カルマン渦）を発生させて表面水流を乱し、これによって、頂部配管内に残留する空気を水流に巻き込みやすくすることができる。つまり、完全サイホンを形成するまでの時間を短縮でき、排水遅れによる浸水被害を防止することが可能となって、経済性が優れ、信頼性の高いポンプ設備とすることが出来る。
【００１９】
このように、空気流出部を略平板状の板材で形成して該板材を水流に対し並行に配設することにより、布切れ等の長物の塵芥が板体（張出し部）に巻き付いて空気流出部を閉塞することを防止して、ポンプ停止時に、確実にサイホンが切れる状態を作ることができる。これにより、サイホンブレーク失敗による逆流の恐れがない信頼性の高いポンプ設備とすることができる。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、前記空気流出部を形成する前記板材に複数の空気流出口を設けたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ設備である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、内部にサイホンを形成するサイホン配管をポンプ吐出側に接続したポンプ設備において、維持管理性、経済性及び信頼性を向上させたポンプ設備を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のポンプ設備を示す概要図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図で、（ｂ）は、他の例の（ａ）相当図である。
【図３】管内水位レベルが上がった状態における図１の要部を示す図である。
【図４】他のポンプ設備を示す概要図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図である。
【図６】更に他のポンプ設備を示す概要図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】更に他のポンプ設備における頂部配管の断面図である。
【図９】更に他のポンプ設備における頂部配管のそれぞれ異なる断面図である。
【図１０】本発明の実施形態のポンプ設備を示す概要図である。
【図１１】図１０のＡ部拡大図である。
【図１２】更に他のポンプ設備を示す概要図である。
【図１３】（ａ）は、図１２に示すポンプ設備の頂部配管の左側面面、（ｂ）は、同じく平面図、（ｃ）は、同じく右側面図である。
【図１４】（ａ）は、他の頂部配管の左側面面、（ｂ）は、同じく平面図、（ｃ）は、同じく右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のポンプ設備を図面を参照して説明する。なお、図１乃至図１４において、同一または相当する部材には、同一符号を付して重複した説明を省略する。
【００２４】
図４及び図５は、他のポンプ設備を示す。この図４及び図５に示すポンプ設備の図１乃至図３に示す例と異なる点は、サイホン配管２０の頂部に水平に配置されてサイホン配管２０の一部を構成する頂部配管３０として、図５に示すように、角部のない横断面楕円状の楕円管５０を該楕円の長軸を水平にして使用している点にある。つまり、この頂部配管３０を構成する楕円管５０は、上面と両側面、及び下面と両側面をそれぞれ曲率半径ｒの曲線で構成される曲面でそれぞれ結ぶことで、角部を無くしている。更に、立上り配管２８と楕円管（頂部配管）５０とを繋ぐ上流側エルボ配管３４として、角部を有することなく、円管からなる立上り管２８と楕円管５０からなる頂部配管３０とを滑らかに繋ぐ異形エルボ管５２が使用されている。その他の構成は、図１乃至図３に示す例と同様である。
【００２５】
この例によれば、頂部配管３０として長軸を水平にした横断面楕円状の楕円管５０を使用することで、頂部配管３０として円管を使用した場合に比較して、フルード数Ｆｒの値を大きくし、しかも、ポンプ１８のインペラ（羽根車）１２を回転させて揚水する時にポンプ１８からの旋回流成分が含まれる吐出水が、旋回流成分を伴ったまま楕円管（頂部配管）５０内を流れるようにすることができる。これによって、管頂付近まで水位が達しても、旋回流成分により楕円管（頂部配管）５０内に残留する空気を水流に巻き込んで吐出側に効率よく掃流して、完全サイホンを形成するまでに要する時間を短縮できる。
【００２６】
図６及び図７は、更に他のポンプ設備を示す。この図６及び図７に示すポンプ設備の図１乃至図３に示す例と異なる点は、サイホン配管２０の頂部に水平に配置されてサイホン配管２０の一部を構成する頂部配管３０として、図７に示すように、横断面矩形状の矩形管５４を長辺側を水平にして使用し、更にこの頂部配管３０を構成する矩形管５４の下流側の約半分の領域から下流側エルボ配管３６の流入口付近の内部にかけて、管断面を上下に分割する平板状の分割板５６を水平にかつ、管断面中心より上方に設置した点にある。その他の構成は、図１乃至図３に示す例と同様である。
【００２７】
この例によれば、完全サイホンが形成される直前の管内水位が高い状態にある時に、横断面矩形状の矩形管（頂部配管）５４の内部に、分割板５６を下面とした開水路と分割板５６を上面とした閉水路を形成することができる。これによって、残留空気が残る管上方部においては、分割板５６を下面とした水深が浅い開水路が形成され、通常の管路（分割板が無い管路）に比べ、フルード数Ｆｒの値を大きくして、表面水流を乱すことが可能となり、管頂付近まで水位が達しても、矩形管（頂部配管）５４内に残留する空気を水流に巻き込んで吐出側に効率よく掃流して、完全サイホンを形成するまでに要する時間を短縮できる。また、分割板５６を矩形管（頂部配管）５４の管断面中心より上方に設置することにより、流速が遅い下面を流れる性質を有する塵芥が絡みにくくなり、より信頼性を高くすることが可能となる。
【００２８】
また、この例によれば、サイホン配管２０内にサイホンが形成された後、分割板５６が整流板として機能する。このため、サイホン形成後の流れを安定させ、配管損失（損失水頭）の少ないポンプ設備とすることができる。
【００２９】
なお、図８に示すように、頂部配管３０として、角部のない横断面楕円状の楕円管５０を該楕円の長軸を水平にして使用し、この楕円管（頂部配管）５０の内部に、管断面を上下に分割する平板状の分割板５６を水平に設置するようにしてもよい。
【００３０】
図９（ａ）乃至図９（ｃ）は、頂部配管３０として横断面の断面幅が管中心よりも上方で最大となる異形管を使用した、それぞれ異なる頂部配管の断面を示す。すなわち、図９（ａ）は、頂部配管３０として、上辺の方が下辺より長い横断面台形状の異形管５８を、図９（ｂ）は、頂部配管３０として、角部のない横断面逆三角形状の異形管６０を、図９（ｃ）は、頂部配管３０として、上部に下部よりも幅広な幅広部６２ａを有する異形管６２をそれぞれ使用している。
【００３１】
このように、頂部配管３０として横断面の断面幅が管中心よりも上方で最大となる異形管を使用することにより、頂部配管３０におけるフルード数Ｆｒの値を大きくして、表面水流を乱すことが可能となり、管頂付近まで水位が達しても、頂部配管内に残留する空気を巻き込んで吐出側に効率よく掃流出来るため、完全サイホンを形成するまでに要する時間を短縮できる。
【００３２】
つまり、前述のように、フィード数Ｆｒは、
Ｆｒ＝Ｖ／（ｇｈ）１／２
（Ｖ：平均流速、ｇ：重力加速度、ｈ：水深（水理学的水深））
で表される。
【００３３】
ここで、水理学的水深ｈは、図９（ａ）乃至図９（ｃ）に示すように、高さ方向に幅の異なる流路にあっては、流水断面積（ａ）を自由水面幅Ｔで除した値（ｈ＝ａ／Ｔ）である。つまり、たとえ同じ流水断面積の場合でも、自由水面幅Ｔが大きい方が、水理学的水深ｈは小さくなり、結果、フルード数Ｆｒが大きくなって、乱れた表面流を形成することが可能となる。
【００３４】
図１０及び図１１は、本発明の実施形態のポンプ設備を示す。この図１０及び図１１に示す実施形態のポンプ設備の図１乃至図３に示す例と異なる点は、頂部配管３０に連通してサイホンブレーカ３８を構成するサイホンブレーク用配管４０の下端に空気流出部６４を頂部配管３０の内部に張出させて設けた点にある。
【００３５】
このように、サイホンブレーク用配管４０の下部の空気流出部６４を頂部配管３０の内部に張出させて設けることにより、頂部配管３０の内部に張出した空気流出部の下流に渦（カルマン渦）を発生させて表面水流を乱し、これによって、頂部配管３０の内部に残存する空気を水流に巻き込みやすくすることができる。
【００３６】
更に、この例では、空気流出部６４を略平板状の板材６６で形成し、この板材６６を水流に対し並行に配設するとともに、この板材６６に複数の空気流出口６６ａを設けている。
【００３７】
このように、空気流出部６４を略平板状の板材６６で形成して該板材６６を水流に対し並行に配設することにより、布切れ等の長物の塵芥が板体（張出し部）６６に巻き付いて空気流出部６４を閉塞することを防止して、ポンプ停止時に、確実にサイホンが切れる状態を作ることができる。これにより、サイホンブレーク失敗による逆流の恐れがない信頼性の高いポンプ設備とすることができる。
【００３８】
しかも、板材６６に複数の空気流出口６６ａを設けることにより、たとえシルト等の塵芥により空気流出口６６ａの一つが閉塞した場合でも、サイホンブレーク機能を確保することが可能となり、更に信頼性の高いポンプ設備とすることが出来る。
【００３９】
図１２及び図１３は、更に他のポンプ設備を示す。この図１２及び図１３に示すポンプ設備の図１乃至図３に示す例と異なる点は、サイホン配管２０の頂部に水平に配置されてサイホン配管２０の一部を構成する頂部配管３０として、流入口７０ａが円形で流出口７０ｂが矩形の流路面積が徐々に増大する丸角管７０を使用して、丸角管７０からなる頂部配管３０の横断面積を流体の流れ方向に沿って変化させている点にある。
【００４０】
このように、頂部配管３０として、横断面積を流体の流れ方向に沿って変化（増大）する丸角管７０を使用することにより、丸角管（頂部配管）７０に沿って流れる流体に渦流部を発生させて表面流を乱すことができる。この場合、頂部配管内に障害物（張出し部）を完全に無くすことができ、塵芥の多い場合などにおいても、ポンプ設備の信頼性を損なうことなく始動時間を短縮できる。
【００４１】
なお、図１４に示すように、円形状の流入部７２ａと流入部７２ａより断面積が大きな矩形状の流出部７２ｂとの間の所定位置に丸角変更部７２ｃを有する丸角管７２を使用して、この丸角変更部７２ｃに渦流部を発生させるようにしてもよい。
【００４２】
これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。例えば、ポンプが有する旋回流成分の有効利用、フルード数設計による表面水流の乱れ、張出し部または断面変化による表面水流の乱れ等、それぞれ違うアプローチの始動時間短縮効果を合わせて行うことにより、サイホン配管内の残留空気を巻き込んで連行（掃流）しやすくなり、相乗的に始動時間を短縮することが可能となる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  駆動機
１２  インペラ
１４  吸水水槽
１８  ポンプ
２０  サイホン配管
２２  開口端
２４  吐出水槽
２８  立上り配管
３０  頂部配管
３２  垂下配管
３４  上流側エルボ配管
３６  下流側エルボ配管
３８  サイホンブレーカ
４０  サイホンブレーク用配管
４２  開閉弁
４４  末広管
５０  楕円管（頂部配管）
５２  異形エルボ管
５４  矩形管（頂部配管）
５６  分割板
５８〜６２  異形管（頂部配管）
６４  空気流出部
６６  板材
６６ａ  空気流通孔
７０，７２  丸角管
【図１】
0005596104.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005596104.tif 000013
【図１３】
0005596104.tif 000014
【図１４】
0005596104.tif 000015