(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機により回転駆動するようにした中空軸の下端部にスクリューを設けた曝気撹拌機において、中空軸の外周部に設けたカバー内を、中空軸が貫通し、水中に浸漬される下端部を除いて密閉構造として内部に空気室を形成し、中空軸の水上部に該中空軸の軸方向に間隔をあけて２個の開口孔を形成し、該開口孔を介して中空軸の内部と空気室とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源から空気導管を介して空気室に空気を強制的に送り込むようにし、嫌気運転時に、空気導管に設けた電動バルブを閉鎖し、カバーの内部を上昇してきた水を下側の開口孔から中空軸の内部側へ吸い込まれるようにしたことを特徴とする曝気撹拌機。
【請求項２】
空気供給源にブロアを用いたことを特徴とする請求項１記載の曝気撹拌機。
【請求項３】
中実軸を有する電動機により中空軸を回転駆動するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の曝気撹拌機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曝気撹拌機に関し、特に、水中に空気（酸素）を供給する好気運転（曝気運転）と、水中に空気（酸素）を供給しない嫌気運転（撹拌運転）とを、簡単に切り替えられ、特に、エネルギ効率のよい好気運転が可能な曝気撹拌機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、下水等の汚水処理場にて使用する曝気機として、図３に示すようなスクリュー式曝気機が実用化されている（特許文献１参照）。
このスクリュー式曝気機は、電動機３０と、この電動機３０により回転する中空軸１と、中空軸１の上端に取り付けた電動バルブ４０と、中空軸１の下端部の外周面に螺旋状に羽根２０を取り付けて構成したスクリュー２と、中空軸１の外周を覆うパイプ状のカバー５２と、カバー５２の下端に取り付けた渦流防止板５１とより構成されている。
【０００３】
このスクリュー式曝気機は、電動機３０を駆動することにより、中空軸１を介してスクリュー２を回転すると、これにより生じる水流により、スクリュー２の先端水域に負圧が生じる。この負圧のため、電動バルブ４０を開放とすると、空気が電動バルブ４０を経て吸い込まれ、吸い込まれた空気は、中空軸１を通って、水中に吐出される。このとき、水中に吐出された空気は、スクリュー２の羽根２０及び水流の作用によって、微細化され、水流に乗って水中深く送られ、その過程で空気中の酸素が水に溶け、曝気が行われる（好気運転）。また、電動バルブ４０を閉鎖すると、空気は吸い込まれず、スクリュー２の回転により生じる水流によって、曝気槽内の汚水の撹拌が行われる（嫌気運転）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２７７０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来のスクリュー式曝気機は、スクリュー２の先端水域に生じる負圧により空気を自給する方式のため、水面からスクリュー２の先端までの垂直方向の距離、すなわち、浸漬深さを約０．３ｍ程度に保つ必要があった。
その理由は、（１）浸漬深さを浅くしすぎると、回転するスクリュー２が水面に近づくことにより良好な水流を発生できなくなるためであり、逆に、（２）浸漬深さを深くしすぎると、回転するスクリュー２の先端部の領域における水圧（静圧）が上昇するため、スクリュー２の回転による負圧の効果が薄められ、自給する空気量が減少してしまい、エネルギ効率のよい好気運転が行えないだけでなく、必要な空気量を水中に送り込めないためであった。
【０００６】
上記のように従来のスクリュー式曝気機においては、前記浸漬深さを約０．３ｍ程度に保つ必要があり、なおかつ水流発生のために適した一定速度でスクリューを回転させる必要性があったため、電動バルブ４０を半分閉じるといった空気量を減じる調整はできたが、空気量を増加させる調整が不可能であった。
【０００７】
そして、スクリュー２の先端部より放つ気泡が水面に到達するまでの滞留時間を延長し、酸素移動速度の効率を上昇させるために浸漬深さを大きくすることは、上記（２）の理由から困難であった。
また、空気量を増加させられない構造であるため、エネルギ効率の向上には限度があった。
【０００８】
本発明は、従来のスクリュー式曝気機にあった制約を越えて、浸漬深さを大きくすることや空気量を増加させること、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができる曝気撹拌機を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の曝気撹拌機は、電動機により回転駆動するようにした中空軸の下端部にスクリューを設けた曝気撹拌機において、中空軸の外周部に設けたカバー内を、中空軸が貫通し、水中に浸漬される下端部を除いて密閉構造として内部に空気室を形成し、中空軸の水上部に該中空軸の軸方向に間隔をあけて２個の開口孔を形成し、該開口孔を介して中空軸の内部と空気室とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源から空気導管を介して空気室に空気を強制的に送り込むようにし、嫌気運転時に、空気導管に設けた電動バルブを閉鎖し、カバーの内部を上昇してきた水を下側の開口孔から中空軸の内部側へ吸い込まれるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
この場合において、空気供給源にブロアを用いたことを特徴とする請求項１記載の曝気撹拌機。
【００１１】
また、中実軸を有する電動機により中空軸を回転駆動するようにすることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の曝気撹拌機によれば、中空軸の外周部に設けたカバー内を、中空軸が貫通し、水中に浸漬される下端部を除いて密閉構造として内部に空気室を形成し、中空軸の水上部に開口孔を形成し、該開口孔を介して中空軸の内部と空気室とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源から空気導管を介して空気室に空気を強制的に送り込むようにすることにより、空気室に強制的に送り込まれる空気の圧力によって、スクリューの回転による負圧を補助し、スクリューの浸漬深さを大きくしたり、空気量を増加させることができ、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができる。
【００１３】
そして、開口孔を、中空軸の軸方向に間隔をあけて複数個形成することにより、嫌気運転時に中空軸とカバーの間を水が上昇して、電動機の近傍に達し、開口孔が上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されることを防止することができ、また、空気導管に電動バルブを設けることにより、好気運転と、電動バルブを閉鎖して行う嫌気運転とを容易に切り替えることができる。
【００１４】
また、空気供給源にブロアを用いたことにより、空気供給源を簡易な機構によって構成することができる。
【００１５】
また、中実軸を有する電動機により中空軸を回転駆動するようにすることにより、汎用の電動機を使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の曝気撹拌機の一実施例を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図２】同曝気撹拌機の嫌気運転時の中空軸付近の水流イメージを示す説明図である。
【図３】従来の曝気撹拌機を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の曝気撹拌機の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１〜図２に、本発明の曝気撹拌機の一実施例を示す。
この曝気撹拌機は、図３に記載した従来の曝気撹拌機と同様、電動機３により回転駆動するようにした中空軸１の下端部にスクリュー２を設けた曝気撹拌機に関するものである。
【００１９】
そして、この曝気撹拌機は、中空軸１の外周部に設けたカバー５内を、中空軸１が貫通し、水中に浸漬される下端部５ａを除いて密閉構造として内部に空気室５０を形成し、中空軸１の水上部に開口孔１ａ、１ｂを形成し、開口孔１ａ、１ｂを介して中空軸１の内部と空気室５０とが連通するようにし、かつ、好気運転時に、空気供給源６から空気導管４を介して空気室５０に空気を強制的に送り込むようにしている。
【００２０】
この場合において、空気室５０に空気導管４を介して空気を強制的に送り込む手段である空気供給源６には、ブロアを用いたことができる。
これにより、空気供給源を簡易な機構によって構成することができる。
【００２１】
また、電動機３には、中実軸を有する電動機を用いるようにしている。
これにより、汎用の電動機を使用することができ、補修等を容易に行うことができる。
【００２２】
また、空気導管４に電動バルブ４ａを設けるようにしている。
これにより、電動バルブ４ａを開き、空気供給源６から空気導管４を介して空気室５０に空気を強制的に送り込みながら行う好気運転と、電動バルブ４ａを閉鎖して行う嫌気運転とを容易に切り替えることができる。
【００２３】
ところで、電動バルブ４ａを閉鎖して行う嫌気運転では、中空軸１とカバー５の間を水が上昇して、電動機３の近傍に達し、カバー５の内部が汚れ、上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されるという問題があった。
そのメカニズムは、嫌気運転では、スクリュー２の先端の負圧によりカバー５内が負圧となり、中空軸１とカバー５の間を水が上昇し、極端な場合には、電動機３の出力軸と中空軸１の接続部まで水位が上昇する。
このとき、中空軸１の先端部における負圧は、実測で約２．５ｍＨ２０〜４．０ｍＨ２０となっている。
これを防ぐために、この曝気撹拌機においては、中空軸１の軸方向に間隔をあけて複数個の開口孔１ａ、１ｂを形成する（ここで、開口孔１ｂは、水面の少し上の箇所に形成するようにする。）ようにしている。
これにより、嫌気運転時にカバー５の内部を上昇してきた水は、開口孔１ｂから中空軸１の内部側へ吸い込まれ、その結果、中空軸１とカバー５の間を水が上昇しても、上側の開口孔１ａや電動機３の出力軸と中空軸１の接続部まで水が上昇することがなく、特に、開口孔１ａが上昇してきた水に含まれるごみが乾燥することによって閉塞されることを防止することができる。
【００２４】
次に、この曝気撹拌機の作用について説明する。
まず、対比のため、図３に記載した従来の曝気撹拌機を、設置角度を４５度、スクリュー２の先端の浸漬深さを０．３ｍにして、３．７ｋＷの所要動力で駆動すると、適正な水流を発生させるとともに、２．４ｍ３／ｍｉｎの空気を自給で水中に放出することができた。このときの空気流量Ｑａを所要動力Ｐで除した値を空気の投入効率ηａｉｒとすると、
ηａｉｒ＝Ｑａ／Ｐ＝２．４／３．７＝０．６５ｍ３／（ｍｉｎ・ｋＷ）
となる。
水槽の深いところまで気泡を届かせるために、スクリュー２の先端の浸漬深さを０．３ｍから０．７ｍに変更すると、自給による空気量は減少し、１．１ｍ３／ｍｉｎとなってしまう。
そこで、自給に加えて、空気供給源６であるブロワから空気導管４を介して空気室５０に空気を強制的に送り込むようにする。このとき、空気供給源６であるブロワによる空気圧は０．４ｍＨ２Ｏとなる。この値は水深が深い割には小さく、ブロワの所要動力は０．４４ｋＷとなる。
ここで、ブロワの所要動力０．４４ｋＷは、以下の計算式に基づいて算出される。
断熱ヘッド：Ｈａｄ＝｛κ／（κ−１）｝・Ｒｇａｓ・Ｔ１・｛（Ｐ２／Ｐ１）（κ−１）／κ−１｝＝３３０（ｍｍ）
κ：比熱比  １．４
Ｒｇａｓ：ガス定数（ｋｇｍ／ｋｇＫ）  ２９．５
Ｔ１：入口温度（全温）Ｋ  ２９３．２
Ｐ１：入口全圧（ｋｇ／ｍ２ａｂｓ）  １０３３０
Ｐ２：出口全圧（ｋｇ／ｍ２ａｂｓ）  １０３３０＋４００（静圧の増加分）
空気量  Ｑ＝２．４ｍ３／ｍｉｎ
重量流量  Ｇ＝１．２×Ｑ／６０＝０．０５４ｋｇ／ｓ
空気動力  Ｐ＝Ｇ×Ｈａｄ／１０２＝０．１７４ｋＷ
ブロワの効率  ηｂ＝０．４０と定める
ブロワ所要動力  Ｌ＝Ｐ／ηｂ＝０．４４ｋＷ
３．７ｋＷの曝気撹拌機に、０．４４ｋＷのブロワを追加することで、浸漬深さ３００ｍｍを７００ｍｍにしても、空気量を２．４ｍ３／ｍｉｎに維持できる。
なお、空気量は実測でそれより大きな２．７ｍ３／ｍｉｎになった。このときの空気の投入効率ηａｉｒは、
ηａｉｒ＝Ｑａ／Ｐ＝２．７／（３．７＋０．４４）＝０．６６ｍ３／（ｍｉｎ・ｋＷ）
となり、浸漬深さが３００ｍｍで自給していたときとほぼ同じになる。
【００２５】
ここで、今まで述べてきた空気の投入効率ηａｉｒは、曝気効率の目安になるがそれそのものではない。そもそも、曝気効率とは、その空気内の酸素が水に溶解する速度の動力当たりの値、すなわち酸素溶解動力効率Ｅｐであり、簡略計算で求めることは困難であり実測で求めることとした。
【００２６】
表１に示すように、実測により酸素溶解動力効率Ｅｐは数％上昇することが確認されている。
この結果は、浸漬深さを深くすることで気泡の滞留時間が延長され、曝気効率（酸素溶解動力効率Ｅｐ）が向上した現象によるものと考えられる。
【００２７】
【表１】
0005579562.tif 000002
【００２８】
次に、この曝気撹拌機により、撹拌のエネルギ効率が維持できる効果について説明する。
まず、スクリュー２の先端の浸漬深さを大きくし、気泡を深い位置に投入する場合、気体と液体が一緒に垂直上向きに流れる傾向が大きくなる影響で、水平に流れる水の流速を低下させる。これにより、副次的に撹拌効率の低下が懸念されるが、その一方で撹拌効率を上昇させる以下の効果もあり、それらが相殺されることで撹拌のエネルギ効率が維持できることが実験で確認されている。
水流発生、すなわち撹拌について、まず垂直方向の水の流速を考えると、浸漬深さの増大により水流発生位置から底部までの距離が短縮されることで水流の底部での減少が抑制される。その一方で、水平横向きに水流を発生させる位置が０．４ｍ下側に移ることにより、例えば、２ｍ以上の水槽の水深と水路幅より形成される水路断面において、水流発生位置がより中心位置にスライドする効果が得られる。
以上の内容を、水深２．５ｍ、水路幅２．０ｍ、水路長さ２０ｍ以上の無終端水路を用いて実験で確認した結果では、底部流速にほとんど差がなく、撹拌のエネルギ効率が維持できる効果が確認できた。
具体的には、浸漬深さが０．３ｍにおいて平均流速２８．７ｃｍ／ｓに対して、浸漬深さが０．７ｍにおいて平均流速２６．３ｃｍ／ｓとなった。
【００２９】
そして、この曝気撹拌機によれば、前述のように曝気撹拌機の中空軸１の水上部に開口孔１ａ、１ｂを形成し、その外周部は、カバー５に囲まれた空気室５０とし、この空気室５０には、空気導管４を介して地上側に設ける空気供給源６による空気の追加供給を可能としたが、必要な酸素溶解量に応じて空気供給源の回転数制御によりエネルギ効率のよい好気運転が可能となる。
なお、空気供給量の制御は、空気導管４の途中に設けた電動バルブ４ａの開度調整でも調整できる。またそれらの併用により、空気供給装置にありがちな空気供給装置の低回転数時の低効率化を抑制することができる。
【００３０】
以上、本発明の曝気撹拌機について、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、各実施例に記載した構成を適宜組み合わせる等、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】
【００３１】
本発明の曝気撹拌機は、浸漬深さを大きくすることや空気量を増加させること、さらに、それに応じた動力増加分を抑えることで、結果的にエネルギ効率の高い好気運転を行うことができることから、曝気撹拌機の用途に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１    中空軸
２    スクリュー
３    電動機
４    空気導管
４ａ  電動バルブ
５    カバー
５０  空気室
６    空気供給源
【図１】
0005579562.tif 000003
【図２】
0005579562.tif 000004
【図３】
0005579562.tif 000005