(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水域の深部から該水域が形成する静水面上の位置にまで水を吸水するための吸水装置であって、
湾曲可能な吸水管の一端に吸込口が形成されるとともに、他端にポンプが配置され、
前記吸込口が、前記水域の深部に配置され、
前記吸水管は、前記一端から前記他端までの間の少なくとも一部が他の部分より高い場所に位置する最高部となるように配置され、
該最高部は、前記静水面よりも低い位置に形成され、なおかつ、前記静水面との間の高低差が以下のように定義される限界埋設深さより大となるような位置に設けられていることを特徴とする吸水装置。
限界埋設深さ＝（前記吸込口から前記最高部までの損失水頭＋速度水頭＋密度差水頭−限界吸込水頭）／吸水比重
【請求項２】
請求項１記載の吸水装置であって、
前記ポンプ運転時に、前記最高部内部の水の圧力水頭が前記限界埋設深さに相当する水頭よりも大となるように、前記最高部の位置および前記ポンプの運転能力が設定されていることを特徴とする吸水装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の吸水装置であって、
前記最高部および前記静水面上の大気中を連通する連通管と、該連通管に介装されたバルブとからなる空気抜き装置が備えられていることを特徴とする吸水装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の吸水装置であって、
前記吸水管は、立面視した場合に、前記吸込口から前記最高部までの間に、その勾配の正負が変化する変曲点を有した状態で配置され、
これら変曲点のうち、極大点と、該極大点の前記最高部側に隣接して位置する極小点との間の高低差を前記吸込口側から前記最高部までの間において順次累積させた値が、前記限界吸込水頭および前記限界埋設深さの和よりも小とされていることを特徴とする吸水装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海洋、河川、湖沼等の水域の深部から該水域が形成する静水面上の位置にまで水を吸水するための吸水装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の装置としては、例えば、図３に示すようなものが知られている。
図３中に示す吸水装置１は、水域Ｗ内に配置された吸水管３と、吸水管３に接続されたポンプ４とにより形成されている。また、吸水管３の一端３ａには、吸込口５が形成されており、この吸込口５は、水域Ｗの深部に対して配置されている。
【０００３】
ここに、ポンプ４は、吸水管３の他端３ｂに対して接続されており、ポンプ４を運転することにより、吸込口５から吸引した水域Ｗの深部の水を、吸水管３を通じて揚水し、水域Ｗの静水面Ｗｓ上に排出することが可能となっている。
【０００４】
また、吸水管３は、一端３ａからその他端３ｂに位置するポンプ４までの間が上り勾配となるように布設されている。これにより、吸水管３内に、流量低下の原因となるエア溜まりが発生した際に、エア溜まりをポンプ４側に導くことができるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に管路内の流れにおいて、管内の内圧が、そのときの水温における飽和蒸気圧よりも小さくなると、水が蒸発し、気泡が発生する。この現象をキャビテーションという。また、キャビテーションが発生する管内圧は、理論と実際では異なることが知られており、キャビテーションが発生する際の実際の圧力水頭を限界吸込水頭という。
【０００６】
また、管路内の流れにおいて、圧力水頭、位置水頭、速度水頭、損失水頭の和は一定であるために、配管の低い位置ほど、位置水頭が小さくなり、圧力水頭が大きくなる。キャビテーションとの関連を考えると、配管の高い位置ほど圧力水頭が小さくなり、キャビテーションが起こりやすいこととなる。
【０００７】
ポンプを利用した吸込配管においては、キャビテーションが発生すると、気泡がポンプの羽根車に絡みつき、その量が増えると羽根車が空回りを起こし、水を吸い込むことができなくなる。また、管内が水蒸気で満たされ、水の連通性がない場合（液切れ）、水蒸気が飽和水蒸気圧に達すると、圧力水頭がそれ以上下がらないので、エネルギー平衡状態となり、水を吸い込むことが不可能となる。
【０００８】
上述の吸水装置１についていえば、ポンプ４の運転時には、吸水管３の内圧はポンプ４の停止時に比較して小さくなるため、キャビテーションが発生しやすくなる。また、この場合、吸水管３が水域Ｗの静水面に近づくほど、キャビテーションが起こりやすくなる。特に、水域Ｗにおける地形との関係で、吸水管３の延長距離が長く、かつ、吸水管３の凹凸が多い場合には、キャビテーションが発生しやすく、配管損傷等が発生する可能性があるのに加えて、吸水管３の凸部にエアが溜まりやすく、これにより、流量の確保が困難となる懸念がある。
【０００９】
また、このような問題を回避するためには、上述のように吸水管３の上り勾配を確保した上で、摩擦損失抵抗を小さくするために、吸水管３の管径を大きくするか、または、キャビテーションを起こさない深さに吸水管３を布設する必要があり、吸水管の材料費や掘削工事費が割高となっていた。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、コストが割高とならず、なおかつ、キャビテーションの発生を良好に防止することができるような吸水装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の吸水装置は、水域の深部から該水域が形成する静水面上の位置にまで水を吸水するための吸水装置であって、
湾曲可能な吸水管の一端に吸込口が形成されるとともに、他端にポンプが配置され、
前記吸込口が、前記水域の深部に配置され、
前記吸水管は、前記一端から前記他端までの間の少なくとも一部が他の部分より高い場所に位置する最高部となるように配置され、
該最高部は、前記静水面よりも低い位置に形成され、なおかつ、前記静水面との間の高低差が以下のように定義される限界埋設深さより大となるような位置に設けられていることを特徴としている。
限界埋設深さ＝（前記吸込口から前記最高部までの損失水頭＋速度水頭＋密度差水頭−限界吸込水頭）／吸水比重
【００１２】
ここに、損失水頭とは、管内を通過する流体と管内表面との摩擦によって生じる水頭ロスをいう。速度水頭とは、流速を維持するための必要水頭をいう。また、密度差水頭とは、吸水管内の吸水と吸水管外の水との比重差により生じる水頭であり、限界吸込水頭とは、当該吸水温度における吸水を蒸発させずに吸い上げできる限界の水頭（例えば、２０℃の水では、約６．５ｍ）をいう。
【００１３】
このような構成とされるために、少なくともポンプ停止時において、吸水管内における液切れの発生を防止することができる。このとき、従来と異なり、吸水管内に発生したエア溜まりを浮力によって取り除くために吸込口からポンプまでをすべて上り勾配とする必要がなく、水域の底面の地形上の特性等に応じて、吸水管の位置を決定することができる。
【００１４】
請求項２記載の吸水装置は、請求項１記載の吸水装置であって、
前記ポンプ運転時に、前記最高部内部の水の圧力水頭が前記限界埋設深さに相当する水頭よりも大となるように、前記最高部の位置および前記ポンプの運転能力が設定されていることを特徴としている。
【００１５】
このような構成とされるために、ポンプ運転時においても、吸水管内におけるキャビテーションを防止することができる。
ここに、ポンプの運転能力は、要求される流量でのポンプ吸込口における圧力水頭が、必要有効吸込水頭から限界吸込水頭を差し引いた値よりも大きくなるように設定することが必要である。なお、必要有効吸込水頭とは、ポンプ内でのキャビテーションを起こさないためにポンプ吸込口で必要とする水頭のことをいう。
【００１６】
請求項３記載の吸水装置は、請求項１または２記載の吸水装置であって、
前記最高部および前記静水面上の大気中を連通する連通管と、該連通管に介装されたバルブとからなる空気抜き装置が備えられていることを特徴とする。
【００１７】
このような構成とされるために、最高部にエア溜まりが生じた場合に、このエアを抜くことができる。
【００１８】
請求項４記載の吸水装置は、請求項１から３のいずれかに記載の吸水装置であって、
前記吸水管は、立面視した場合に、前記吸込口から前記最高部までの間に、変曲点を有した状態で配置され、
これら変曲点のうち、極大点と、該極大点の前記最高部側に隣接して位置する極小点との間の高低差を、前記吸込口側から前記最高部までの間において順次累積させた値が、前記限界吸込水頭および前記限界埋設深さの和よりも小とされていることを特徴としている。
【００１９】
このような構成とされるために、この吸水装置においては、ポンプ側からエア吸込を行う場合に、吸水管内の圧力が吸水温度における飽和水蒸気圧より小さくならない（キャビテーションが発生しない。）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態を模式的に示す図であり、図中、符号１１は、吸水装置を示す。吸水装置１１は、水域Ｗ内に布設された吸水管１３と、吸水管１３が導入されるポンプ室１４とを備えた構成とされている。
【００２１】
吸水管１３は、その一端１３ａに吸込口１５が形成された構成となっている。この吸込口１５は、水域Ｗの深部に対して配置されている。また、ポンプ室１４には、吸水管１３の他端１３ｂが接続されたポンプ１６と、ポンプ１６から地上（水域Ｗの静水面Ｗｓよりも上の位置）に向けて水を排出するための排出管１７が備えられている。排出管１７には、バルブ１８と逆止弁１９とが介装されている。
【００２２】
ここに、ポンプ１６の運転能力は、要求される流量でのポンプ吸込口（吸水管１３の他端１３ｂ）における圧力水頭が、必要有効吸込水頭から限界吸込水頭を差し引いた値よりも大きくなるように設定することが必要である。なお、必要有効吸込水頭とは、ポンプ内でのキャビテーションを起こさないためにポンプ吸込口で必要とする水頭のことをいう。
【００２３】
このような構成により、ポンプ１６を運転することにより、吸込口１５から水域Ｗ深部の水を吸入するとともに、この水を吸水管１３を通じて、ポンプ室１４内に導入し、さらに、この水を排出管１７を通じ、地上に揚水・排出することができる。
【００２４】
また、吸水管１３のポンプ室１４への導入部分は、吸水管１３の他の部分に比較して高い場所に位置する最高部２１として形成されている。この最高部２１は静水面Ｗｓよりも低い位置に形成されるとともに、静水面Ｗｓとの間の高低差（図中Ｈ）が、限界吸込埋設深さＣよりも大となるような位置に設けられている。
ここに、限界埋設深さＣは、以下のように定義される。
限界埋設深さＣ＝（前記吸込口から前記最高部までの損失水頭＋速度水頭＋密度差水頭−限界吸込水頭）／吸水比重
【００２５】
上述の式において、損失水頭とは、吸水管１３内を通過する水と吸水管１３内表面との摩擦によって生じる水頭ロスをいう。速度水頭とは、流速を維持するための必要水頭をいう。また、密度差水頭とは、吸水管１３内の吸水と吸水管１３外の水との比重差により生じる水頭であり、限界吸込水頭とは、当該吸水温度における吸水を蒸発させずに吸い上げできる限界の水頭（例えば、２０℃の水では、約６．５ｍ）をいう。
【００２６】
さらに、ポンプ１４の運転能力および最高部２１の位置は、ポンプ１４を運転して、吸水管１３の内部の圧力が低下した際においても、最高部２１の内部の水の圧力水頭が、限界埋設深さＣに相当する水頭よりも大となるように設定されている。
【００２７】
また、最高部２１には、空気抜き装置２２が接続されている。空気抜き装置２２は、最高部２１と静水面Ｗｓ上の大気中とを連通する連通管２３と、連通管２３に介装されたバルブ２４とにより形成されている。
【００２８】
また、吸水管１３は、立面視した際に、基本的に、吸込口１５と最高部２１とを結ぶ直線（図１中の直線Ａ）に沿って配置されるが、水域Ｗの底面の地形等の関係上、直線Ａに対して、多少の凹凸をもって配置されている。
【００２９】
図２は、吸水管１３を拡大して示した図である。図中に示すように、吸水管１３は凹凸をもって配置されることから、立面視した場合に、これらの凹凸が、変曲点２５をなすこととなる。これら変曲点２５には、吸水管１３の勾配が負から正に変化する極小点２７と、吸水管１３の勾配が正から負に変化する極大点２８とが存在するが、極大点２８と、この極大点２８の最高部２１側に位置する極小点２７との高低差ｈｉを、吸込口１５側から最高部２１まで順次累積させた値Σｈｉ（例えば、図２中におけるｈ１＋ｈ２＋ｈ３）が、限界吸込水頭Ｃと限界埋設深さとの和よりも小となるように、吸水管１３の凹凸の範囲が定められている。
【００３０】
上述の吸水装置１１においては、吸水管１３の最高部２１が、静水面Ｗｓよりも限界埋設深さＣ以上低い位置により形成されているために、ポンプ停止時に、吸水管１３内に液切れが発生することを防止できる。したがって、従来と異なり、吸水管内に発生したエア溜まりを浮力によって取り除くために吸込口からポンプまでをすべて上り勾配とする必要がなく、水域の底面の地形上の特性等に応じて、吸水管１３の位置を決定することができる。これにより、吸水管１３の布設に係る掘削工事費を低減することができ、キャビテーションの発生を良好に防止しつつ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００３１】
また、ポンプ１６の運転時には、吸水管１３内の圧力はさらに低下することとなるが、最高部２１の位置およびポンプ１６の運転能力が、最高部２１内部の水の圧力水頭が、限界吸込圧力水頭Ｃよりも大となるように設定されているために、ポンプ１６の運転時におけるキャビテーションの発生も併せて防止することができる。これにより、従来と異なり、摩擦損失抵抗を小さくするために吸水管１３の管径を大きくする必要がなく、吸水管１３の材料費を低減することができる。
【００３２】
さらに、吸水管１３の最高部２１には、空気抜き装置２２が接続されているために、吸水管１３内において発生したエア溜まりを、吸水管１３の上下勾配により最高部２１に導き、最高部２１からポンプ１６停止時にエア抜きを行うことができる。これにより、エア溜まりが発生した場合の対応が容易となり、運転性がよい。
【００３３】
加えて、極大点２８と、この極大点２８の最高部２１側に位置する極小点２７との高低差ｈｉを、吸込口１５側から最高部２１まで順次累積させた値Σｈｉが、限界吸込水頭Ｃと限界埋設深さとの和よりも小となるように、吸水管１３の凹凸の範囲が定められているために、ポンプ１６側からエア吸込を行う場合に、吸水管１３内の圧力が、吸水温度における飽和蒸気圧よりも小さくならない（キャビテーションが発生しない）から、吸水管１３内にエア溜まりが生じた場合においても、ポンプ１６側からエア吸込を行うことができる。これにより、エア溜まりが発生した場合の対応がさらに容易となるとともに、安定した流量を確保することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る吸水装置は、吸水管の最高部が、水域の静水面よりも限界埋設深さ以上低い位置により形成されているために、ポンプ停止時に、吸水管内にキャビテーションが発生することを防止できる。したがって、従来と異なり、エア溜まりを除去するために吸込口からポンプまでをすべて上り勾配とする必要がなく、水域の底面の地形上の特性等に応じて、吸水管の位置を決定することができ、吸水管の布設に係る掘削工事費を低減することができる。これにより、キャビテーションの発生を良好に防止しつつ、コストダウンを図ることが可能となる。
【００３５】
請求項２に係る吸水装置においては、最高部内部の水の圧力水頭が限界吸込圧力水頭よりも大となるように、最高部の位置およびポンプの運転能力が設定されているために、ポンプの運転時におけるキャビテーションの発生も併せて防止することができる。これにより、従来と異なり、キャビテーション発生防止の目的で摩擦損失抵抗を小さくするために吸水管の管径を大きくする必要がなく、吸水管の材料費を低減することができる。
【００３６】
請求項３に係る吸水装置においては、吸水管の最高部には、空気抜き装置が接続されているために、吸水管内において発生したエア溜まりを、吸水管の上下勾配により最高部に導き、最高部からポンプ停止時にエア抜きを行うことができる。これにより、エア溜まりが発生した場合の対応が容易となり、運転性がよい。
【００３７】
請求項４に係る吸水装置においては、吸水管によって形成される極大点と、この極大点の最高部側に位置する極小点との高低差を、吸込口側から最高部まで順次累積させた値が、限界吸込水頭と限界埋設深さとの和よりも小となるように、吸水管の凹凸の範囲が定められているために、ポンプ側からエア吸込を行う場合に、吸水管内の圧力が、吸水温度における飽和蒸気圧よりも小さくならない（キャビテーションが発生しない）から、吸水管内にエア溜まりが生じた場合においても、ポンプ側からエア吸込を行うことができる。これにより、エア溜まりが発生した場合の対応がさらに容易となるとともに、安定した流量を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態である吸水装置を模式的に示す立面図である。
【図２】図１に示した吸水装置における吸水管の拡大立面図である。
【図３】本発明の従来の技術である吸水装置を模式的に示す立面図である。
【符号の説明】
１１  吸水装置
１３  吸水管
１３ａ  一端
１３ｂ  他端
１５  吸込口
１６  ポンプ
２１  最高部
２２  空気抜き装置
２３  連通管
２４  バルブ
２５  凹部
２７  極小点
２８  極大点
【図１】
0003579822.tif 000002
【図２】
0003579822.tif 000003
【図３】
0003579822.tif 000004