(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
揚水管と、該揚水管に設けられた空気投入部と、揚水管に接続した水平方向に気液二相流を移送する水平部を有する移送流路と、該移送流路に空気と液体類とを各々分離するための気液分離室とを備えるようにした槽内に収容されている液体類を移送するためのエアリフトポンプにおいて、前記槽内に収容されている移送対象の液体類の自由表面と、前記移送流路の水平部の上端の設置高さとが一致するように、前記移送流路を設置し、揚水部の平面位置から気液分離室の気泡開放用開口の上流端までの距離が、揚水管の内径の４〜７倍となるように設定するようにしたことを特徴とするエアリフトポンプ。
【請求項２】
揚水管と移送流路との接続部に曲率半径が揚水管の内径の１〜２倍のベンド管を用いたことを特徴とする請求項１記載のエアリフトポンプ。
【請求項３】
気液分離室を、移送流路の断面上部に、長さが揚水管の内径の３〜７倍のスリット状の開口を開け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成したことを特徴とする請求項１又は２記載のエアリフトポンプ。
【請求項４】
気液分離室の下流側に斜め３０〜６０度の下降管を設けたことを特徴とする請求項１、２又は３記載のエアリフトポンプ。
【請求項５】
気液分離室及び下降管の内径を揚水管の内径の１．１〜１．２倍に設定したことを特徴とする請求項４記載のエアリフトポンプ。
【請求項６】
気液分離室の下流側に隣接して第２の気液分離室を設け、該第２の気液分離室を、移送流路の断面上部に長孔状の開口を設け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成したことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載のエアリフトポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体や固形物を含んだ混合液を移送させるためのエアリフトポンプに関するもので、例えば、下水処理場の反応槽等の槽内部に揚水管を立設し、その揚水管の上部に槽内の液体などを移送自在な移送流路を接続するとともに、揚水管下部に空気供給装置を接続自在な空気供給口を設けたエアリフトポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体や小さい粒径の固形物を含む混合液（以下、本明細書において、単に「液体類」という。）を移送するためのポンプの１つとして、エアリフトポンプが知られている。
図５に従来のエアリフトポンプの一例を示す。
このエアリフトポンプは、移送しようとする液体類２が収容されている槽１内に、所定の内径を有する揚水管３が、その大部分を液体類２の中に浸漬させて、立設されている。
槽１の内部には、揚水管３内に向けて気体を吹き込むための導管４が設けられている。
導管４の一方の開口端４ａは、揚水管３の下部に設けられた空気室３ａに接続されており、もう一方の開口端４ｂは、ブロワ等の気体供給源８に接続されている。
空気室３ａに投入された空気は、揚水管３の外周部に設けられた空気投入部としての気孔３ｂより揚水管３の内部に入り、気泡６となって上昇する。
揚水管３の内部において、空気室３ａより上部側が気液混合流体となるため、揚水管３の空気室３ａの静圧が低くなり、揚水管３の下端部より液体類が流入し、揚水管３の内部を上昇する。
揚水管３の上部は、気液分離室１０’から水平方向に延びる移送流路５に接続されており、気泡６を含む液体は、気液分離室１０’で気体と液体類とに分離され、気体は大気中に排出され、液体類は移送流路内を水平方向に流れ、流出路部７から排出される。
【０００３】
このエアリフトポンプは、作動部分が極めて少なく、唯一あるのが、例えば、空気供給装置のような揚水管３内に対する気体の吹き込み機構のみであるため、構造が極めて簡単であり、故障が少ない等の利点がある。
このような利点を有するエアリフトポンプは、下水処理場の反応槽においても曝気槽から無酸素槽への返送手段やその他の槽間での移送手段として用いられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のエアリフトポンプは、上記利点を有する反面、移送流路５を閉水路とし、かつ、移送する液体類への気泡残存の防止を考える必要性が生じる場合には、閉水路状の移送流路５の一部に気液分離室１０’を設け、液体から気泡を除去する手段を講じなければならないが、その気液分離室１０’を槽１の液面より高い位置に設置した場合には、移送を目的としているにもかかわらず一旦水位を上げるために大きな動力を要し、空気投入のために所要動力が大きくなり、エネルギ効率が低いという課題を有していた。
また、従来はエアリフトポンプは、気液分離室１０’自体が大きなものとならざるを得ず、エアリフトポンプの大型化をまねいていた。
【０００５】
また、移送流路５を閉水路とし、気液分離室１０’を設けない場合には、多数の気泡を含んだまま液体を移送することになる。気泡を含んだ液体類が流れる際の配管抵抗は液体類のみの場合と比べて大きいため、空気の投入に用いたエネルギの大きさに対して移送する液体類の流量割合が小さくなってしまい、その結果、省エネルギ運転が行えないという課題を有していた。
また、移送流路５内の気泡を除去せずにそのまま移送すると移送先の槽１Ａ内の流体に大量の酸素が供給されることになる。そのため、移送先の槽内の環境が好気的に変化することになり、移送先の槽１Ａが嫌気槽や無酸素槽の場合には、水処理性能が低下する等の弊害が生じる。
【０００６】
また、エアリフトポンプにおいて、移送流路５を開水路とする場合には、気液混合流体が移送流路５を流れる過程において、気泡が液体類とともに下流へ流れるに従って液体類の自由表面より徐々に大気解放されるため、気液分離室１Ａが不要になるというメリットがあった。
しかしながら、その移送流路５の途中に、例えば、槽１の横梁等の土木構造物が存在する場合には、エアリフトポンプが適用できないといった不都合があるなど、本装置の適用の可否が土木構造物の形状に依存することになるため、不適用になる場合があるという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、エネルギ効率が高く、装置を小型化できる等、従来のエアリフトポンプの有する課題を一挙に解消できるエアリフトポンプ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】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明のエアリフトポンプは、揚水管と、該揚水管に設けられた空気投入部と、揚水管に接続した水平方向に気液二相流を移送する水平部を有する移送流路と、該移送流路に空気と液体類とを各々分離するための気液分離室とを備えるようにした槽内に収容されている液体類を移送するためのエアリフトポンプにおいて、前記槽内に収容されている移送対象の液体類の自由表面と、前記移送流路の水平部の上端の設置高さとが一致するように、前記移送流路を設置し、揚水部の平面位置から気液分離室の気泡開放用開口の上流端までの距離が、揚水管の内径の４〜７倍となるように設定するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
この場合において、揚水管と移送流路との接続部に曲率半径が揚水管の内径の１〜２倍のベンド管を用いることができる。
【００１０】
また、気液分離室を、移送流路の断面上部に、長さが揚水管の内径の３〜７倍のスリット状の開口を開け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成することができる。
【００１１】
また、気液分離室の下流側に斜め３０〜６０度の下降管を設けることができる。
【００１２】
また、気液分離室及び下降管の内径を揚水管の内径の１．１〜１．２倍に設定することができる。
【００１３】
また、気液分離室の下流側に隣接して第２の気液分離室を設け、該第２の気液分離室を、移送流路の断面上部に長孔状の開口を設け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のエアリフトポンプによれば、槽内の自由表面と移送流路の水平部の上端の設置高さとを一致させるようにしたことにより、水位を槽内液面より高くする場合と比べて、同じ空気量を投入した場合の駆動力が大きくなり、その結果省エネルギ運転が可能となる。
また、移送流路を閉水路としたことにより、土木構造物の形状に依存することなく、さまざまな構造の槽に設置が可能となる。
【００１５】
そして、揚水部の平面位置から気液分離室の気泡開放用開口の上流端までの距離が、揚水管の内径の４〜７倍となるように設定することにより、揚水管から水平方向に向きを変えた流体に含まれている気泡が移送流路内で徐々に上昇し、気液分離室の開口より除去される際には気泡のほとんどが上部に集まっている状態となるので、上部以外に集中している液体類の流れをあまり乱すことなく、気泡は効率よく除去される。そのため、気液分離室の開口長さの寸法を短くでき、その結果、本気液分離室の小容積化が可能となる。
【００１６】
また、揚水管と移送流路との接続部に曲率半径が揚水管の内径の１〜２倍のベンド管を用いることにより、上昇する気液二相流が、進行方向を水平方向に変える際にロスが少なく省エネルギ運転が可能となる。
【００１７】
また、気液分離室の下流側に斜め３０〜６０度の下降管を設けること、特に、気液分離室及び下降管の内径を揚水管の内径の１．１〜１．２倍に設定することにより、液体類の流速が低下し、気泡の上昇を促し、小さな開口から効率よく気泡が除去される。
【００１８】
また、気液分離室を、移送流路の断面上部に、幅が揚水管の内径の０．０５〜０．２倍で、長さが揚水管の内径の３〜７倍のスリット状の開口を開け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成し、さらに、この気液分離室の下流側に隣接して第２の気液分離室を設け、該第２の気液分離室を、移送流路の断面上部に長孔状の開口を設け、その外周部に開口を囲う外筒を設けて構成することにより、気液分離室及び第２の気液分離室の小容積化が可能となる。
ここで、第２の気液分離室の開口では、以下の２つの系路を経た気泡が除去される。１系路目は気液分離室で除去されず移送流路内の断面上部を流れ続けた少数の残留気泡である。２経路目は、第２の気液分離室以降においても僅かに残留していた細かな気泡が第２の気液分離室の下流側の下降管でその断面における上部を当初下降し、下降途中で合体しその断面上部を逆流するように上昇し、前記２つめの気液分離室の開口より同じく除去される。
これにより、下降管の途中以降の下流側の移送流路内には気泡が皆無に近い状態となり、その結果、流れの抵抗が小さくなり省エネルギ運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のエアリフトポンプの一実施例を示す概略垂直断面図である。
【図２】図１のＡ矢視平面図である。
【図３】図１のＢ矢視断面図である。
【図４】給気量と送水量の計測結果を示すグラフである。
【図５】従来のエアリフトポンプを示す概略垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明のエアリフトポンプの実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図３に、本発明のエアリフトポンプの一実施例を示す。
【００２２】
このエアリフトポンプは、図５に記載した従来のエアリフトポンプと同様、移送しようとする液体類２が収容されている槽１内に、所定の内径を有する揚水管３が、その大部分を液体類２の中に浸漬させて、立設されている。
槽１の内部には、揚水管３内に向けて気体を吹き込むための導管４が設けられている。
導管４の一方の開口端４ａは、揚水管３の下部に設けられた空気室３ａに接続されており、もう一方の開口端４ｂは、ブロワ等の気体供給源８に接続されている。
空気室３ａに投入された空気は、揚水管３の外周部に設けられた空気投入部としての気孔３ｂより揚水管３の内部に入り、気泡６となって上昇する。
揚水管３の内部において、空気室３ａより上部側が気液混合流体となるため、揚水管３の入口部の静圧が低くなり、揚水管３の下端部より液体類が流入し、揚水管３の内部を上昇する。
【００２３】
そして、このエアリフトポンプは、揚水管３と、空気投入部としての気孔３ｂと、水平方向に気液二相流を移送する移送流路５と、このエアリフトポンプは、移送流路５に空気と液体類とを各々分離するための気液分離室１０とを備え、槽１内の自由表面と移送流路５の水平部の上端の設置高さとを一致させるようにしている。
【００２４】
具体的には、槽１からこの槽１の槽壁を貫通して他の槽１Ａへ液体類を移送する移送流路５を閉水路とし、水位がほぼ移送流路５の水平部５ａの頂上部と一致するように配置する。
【００２５】
また、揚水管３と移送流路５の方向変更のために揚水管３の上部に適切な形状のベンド管９を設け、気液分離室１０、さらに必要に応じて、第２の気液分離室１１を、それぞれ適切な位置に配置し、各々を小容積の適切な構造の気液分離室１０、１１とし、気液分離室１０の下流側（第２の気液分離室１１を設ける場合は、第２の気液分離室１１の下流側）に斜めの下降管１２を設けるようにしている。
【００２６】
この場合において、揚水管３の上部には、移送流路５との接続用として曲率半径が揚水管３の内径の１〜２倍（本実施例においては、１．５倍程度）のベンド管９を設けるようにしている。
【００２７】
気液分離室１０の位置は、揚水管３の平面中心位置から気液分離室１０のスリット開始端までの平面方向の距離が、揚水管３の内径（以下、「Ｄ」と略す。）の３〜７倍（本実施例においては５．５倍）となるような位置とする。
図４（ａ）は、スリット位置をＤの２．３５倍と５．５倍に変えた場合における給気量と送水量の計測結果を示す。
図４（ａ）に示すように、スリット位置が５．５倍の方が、給気量０．１７〜０．４３ｍ３／ｍｉｎの範囲で送水量が比較的大きい。
揚水管の上部には曲率半径が１．５Ｄのベンドを設けており、スリット位置は最短で１．５Ｄとなるが、ベンド直後では管の上部以外にも気泡が多く存在し、抜け切れていなかったが、５．５Ｄまで長くすると滞留時間が長くなることで気泡の合体が進み、スリットよりそのほとんどが開放された。
第２の気液分離室１１は、気液分離室１０の下流側で、かつ、下流側で、かつ、下降管１２に対して上流側とし、可能な限り下降管１２の頂上部付近に配置する。
【００２８】
気液分離室１０は、気液分離室１０の円筒部分１０ａと下降管の途中１２ａまでの内径は揚水管３よりも大径（本実施例においては、Ｄの１．１〜１．２倍）とし、その他の管とはなだらかに径が変化するようなテーパ管１３で接続する。
この気液分離室１０は、移送流路５の断面上部に、幅がＤの０．０５〜０．２倍（本実施例においては１０分の１程度）で、長さがＤの３〜７倍（本実施例においては５倍程度）のスリット状の開口１０ｂを設ける。
実験データを図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す。
図４（ｂ）は、スリット幅をＤの０．１倍と０．６倍に変えた場合、図４（ｃ）はスリット長をＤの２．０倍と４．６倍に変えた場合における給気量と送水量の計測結果を示す。
図４（ｂ）に示すように、スリット幅がＤの０．１倍の方が、給気量０．１７〜０．３５ｍ３／ｍｉｎの範囲で送水量がより大きい。
また、図４（ｃ）に示すように、スリット長がＤの４．６倍の方が、給気量０．１７〜０．４３ｍ３／ｍｉｎの範囲で送水量がより大きい。
これは、水流の乱れが小さく残存する気泡が少なかったことによると考えられる。
さらに、気液分離室１０は、その外周部に開口１０ｂの外周を囲う外筒となる四角柱ダクト１０ｃを設け、四角柱ダクト１０ｃには、開口１０ｂの上部側にガイドプレート１０ｄを設けた構造とする。
【００２９】
第２の気液分離室１１は、移送流路５の断面上部に、長孔状の開口１１ａを設け、その外周部に開口１１ａを囲う角形又は円形の外筒１１ｂを設けた構造とする。
【００３０】
下降管１２は、下流側に斜め３０〜６０度（本実施例においては、４５度）に設けた構造とする。
【００３１】
以上、本発明のエアリフトポンプについて、その実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に記載した構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のエアリフトポンプは、エネルギ効率が高く、装置を小型化できるという特性を有していることから、液体や固形物を含んだ混合液を移送させるためのエアリフトポンプの用途に広く用いることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    槽
１Ａ  槽
２    液体類
３    揚水管
３ａ  空気室
３ｂ  気孔（空気投入部）
４    導管
４ａ  導管の開口端
４ｂ  導管の開口端
５    移送流路
６    気泡
７    流出路部
８    空気供給源
９    ベンド管
１０  気液分離室
１０ａ  気液分離室の円筒部分
１０ｂ  スリット状の開口
１０ｃ  四角柱ダクト
１０ｄ  ガイドプレート
１１  第２の気液分離室
１１ａ  長孔状の開口
１１ｂ  外筒
１２  下降管
１２ａ  下降管の途中
１３  テーパ管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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