(57)【要約】【課題】取水ポンプおよびそのためのポンプピットを必要とせず、水域からの揚水を安定かつ効率的に行い得る有効適切な揚水装置を提供する。【解決手段】下端部に気泡放出口１４を有する気泡放出管１３を取水管３内（または取水管３外）に設けて気泡放出口を取水管内の途中位置に配し、気泡放出管に接続した圧気装置（コンプレッサ１２）により気泡放出口から取水管内に気泡を吐出させることで揚水に必要な揚程を得て揚水を行う。気泡放出口の深度を飽和深度以深の不飽和領域に設定し、気泡放出口から取水管内に吐出させた気泡を取水管内の不飽和水に溶解させて密度を低下させ、取水管の内外に生じる密度差によって揚水に必要な揚程を得る。気泡放出口から吐出する気泡を１０マイクロメートル以下のマイクロバブルないしナノバブルとする。【選択図】図１
2011032907.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水域の水中に取水口を有し前記水域の外でかつ前記取水口よりも上方位置に吐出口を有する取水管による揚水装置において、
下端部に気泡放出口を有する気泡放出管を前記取水管内または取水管外に設けて、前記気泡放出口を前記取水管内の途中位置に配し、
前記気泡放出管に接続した圧気装置により前記気泡放出口から前記取水管内に気泡を吐出させることで揚水に必要な揚程を得て前記取水管による取水口から吐出口までの揚水を可能としたことを特徴とする揚水装置。
【請求項２】
請求項１記載の揚水装置であって、
前記気泡放出口の水域における深度を飽和深度以深の不飽和領域に設定し、
前記気泡放出口から取水管内に吐出させた気泡を取水管内の不飽和水に溶解させることによって取水管内における水密度を低下させ、取水管の内外に生じる密度差によって揚水に必要な揚程を得ることを可能としたことを特徴とする揚水装置。
【請求項３】
請求項２記載の揚水装置であって、
前記気泡放出口から吐出する気泡を１０マイクロメートル以下のマイクロバブルないしナノバブルとしたことを特徴とする揚水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水域から取水するための揚水装置、特に海洋深層水を取水ポンプによることなく効率的に取水するための揚水装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
海洋深層水を取水するための装置として特許文献１に示される吸水装置が知られている。これは、吸水管（取水管）の最高部を静水面よりも低い位置とし、かつその最高部と静水面との間に「限界埋設深さ」よりも大きな距離を確保することにより、装置内の圧力を限界吸込水頭（甚だしいキャビテーションが発生して通水不能となる限界の圧力。通常は常温において-0.064MPa程度）よりも高く維持して安定な取水を行うことを可能としたものである。
【０００３】
図５はそのような吸水装置による海洋深層水の取水システムの概要を示すものである。これは、海岸部の地盤面下に設置したポンプピット１内において取水ポンプ２を海面（静水位面）よりも低い位置に設置し、取水管３の先端を取水口４として所望深度に配置するとともに取水管３の基端部をポンプピット１内において立ち下げてから取水ポンプ２に接続し、取水ポンプ２により深層水を揚水して送水管５により貯水槽６に送水するようにしたものである。符号７は必要に応じて取水管３に設置される気液分離槽である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３５７９８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の取水システムは大規模な取水ポンプ２を必要とするばかりでなく、取水ポンプ２の設置位置は海面よりも低い位置とする必要があることからそのための地下構造物としての大規模なポンプピット１が必要であり、また取水管３の全体も海面より低い位置に配管する必要があるので海岸部には取水管３を地中埋設するための配管ピットも必要であり、それらポンプピット１や配管ピットを建設するために多大なコストを要するものであった。
【０００６】
特に、キャビテーションの発生を確実に防止するためには取水管３の最浅部の管内圧力をさらに安全を見込んで-0.045MPaよりも高くする必要があるとされ、そのためには取水ポンプ２や取水管３の設置位置をさらに充分に低くする必要があるので、必然的にポンプピット１や配管ピットのさらなる大深度化が必要となる。
このことは、上記のような海洋深層水の取水システムのみならず、水域から大規模な揚水を行う施設全般に共通することである。
【０００７】
上記事情に鑑み、本発明は取水ポンプを必要とせず、したがってそれを設置するためのポンプピットを地盤面下に設置する必要もなく、水域からの揚水を安定かつ効率的に行い得る有効適切な揚水装置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】
本発明は水域の水中に取水口を有し前記水域の外でかつ前記取水口よりも上方位置に吐出口を有する取水管による揚水装置において、下端部に気泡放出口を有する気泡放出管を前記取水管内または取水管外に設けて前記気泡放出口を前記取水管内の途中位置に配し、前記気泡放出管に接続した圧気装置により前記気泡放出口から前記取水管内に気泡を吐出させることで揚水に必要な揚程を得て前記取水管による取水口から吐出口までの揚水を可能としたことを特徴とする。
【０００９】
本発明においては、前記気泡放出口の深度を飽和深度以深の不飽和領域に設定し、前記気泡放出口から取水管内に吐出させた気泡を取水管内の不飽和水に溶解させることによって取水管内における水の密度を低下させ、取水管の内外に生じる密度差によって揚水に必要な揚程を得ることができる。
その場合、前記気泡放出口から吐出する気泡を１０マイクロメートル以下のマイクロバブルないしナノバブルとすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、取水管内に気泡を放出することにより、放出された気泡が取水管内の不飽和水に溶解してその密度を低下させ、それにより生じる取水管内外の密度差によって揚水に必要な揚程が得られて安定かつ効率的な揚水が可能であり、取水管内が負圧になることもないのでキャビテーションが発生することもない。
したがって本発明によれば、従来一般のこの種の取水システムのように大規模な取水ポンプを必要とせず、また取水ポンプや取水管を海面よりも低い位置に設置するためのポンプピットや配管ピットも必要とせず、そのため建設コストを各段に軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の揚水装置による海洋深層水の取水システムを示す概要図である。
【図２】本発明の揚水装置の原理を説明するための図である。
【図３】本発明の揚水装置の特性を示す図である。
【図４】本発明の揚水装置の特性を示す図である。
【図５】従来の吸水装置による海洋深層水の取水システムを示す概要部である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は本発明の揚水装置による海洋深層水の取水システムの概要を示すものである。
これは、図５に示した従来の取水システムと同様に海域の深層部に配置した取水口４から深層水を取水して取水管３および送水管５を通して貯水槽６に送水するものであるが、従来の取水システムのように地下に設けたポンプピット１に取水ポンプ２を設置するものではなく、それに代えて、地表部に設けた取水室１１にコンプレッサ（圧気装置）１２を設置し、そのコンプレッサ１２から取水管３内に微細な気泡を放出することによって揚水を行うものである。
【００１３】
すなわち、本実施形態の取水システムでは、図１（ｂ）に示すように取水管３内に小径の気泡放出管１３が内装されているとともに、その先端には気泡放出口１４が設けられていて、取水室１１内に設置されたコンプレッサ１２から微細な気泡が気泡放出管１３に供給されて気泡放出口１４から取水管３内に放出されるようになっている。
この場合、気泡放出口１４の設置位置（海面下における深度）は、水中における溶存ガスの飽和深度以深の不飽和領域、つまり気泡放出口１４から吐出された気泡が水中に溶解する余地のある深度に設定されている。
したがって、気泡放出口１４から取水管３内に放出された気泡は取水管３内の不飽和水に速やかに溶解してしまい、その取水管３内の不飽和水は多量の気泡が溶解することにより密度が低下（軽くなる）し、その結果、取水管３の内外に水の密度差が生じてその密度差により揚水に必要な揚程が自ずと得られることになる。
【００１４】
したがって本発明では従来のように大規模な取水ポンプ２を必要とせず、それに代えて単なるコンプレッサ１２を設置し、取水管３内に気泡放出口１４を備えた気泡放出管１３を内装するだけで良く、また、従来のように取水ポンプ２や取水管３を海面よりも低い地下部に設置する必要もないのでそのためのポンプピット１や配管ピットを設ける必要もなく、従来の取水システムに比べて建設コストを各段に軽減することができる。しかも、取水管内が負圧になることもないのでキャビテーションが発生することもなく、安定な取水が可能である。
【００１５】
本発明における気泡放出口１４としては取水管内に気泡を放出し得るものであれば良いので適宜の機構を採用可能であるが、気泡が水中に速やかにかつ充分に溶解するためには気泡のサイズが充分に小さいことが望ましく、特に１０マイクロメートル以下のマイクロバブルないしナノバブルとすることが望ましく、その点からはたとえば特開２００４−１７４４７５号公報に開示されているようなエジェクター装置が好適に採用可能である。
また、本発明では上記実施形態のように気泡放出管１３を取水管３内に内装することが現実的であるが、あるいは気泡放出管１３を取水管３の外部に添わせて設置し、取水管３の外部から気泡を吹き込むようにするか、あるいは気泡放出口１４のみを取水管３内に設置するようにしても良い。
勿論、本発明は海洋深層水を取水する場合のみならず、様々な水域から揚水を行うための揚水装置として広く適用可能であることは当然である。
【００１６】
なお、類似の技術としてエアリフトポンプがあるが、本発明はエアリフトポンプとは全く原理が異なるものである。
すなわち、エアリフトポンプは揚水管内の水中に空気を吹き出して管内を浮上させるとともに気液混合により揚水管内の見かけ上の流体密度を軽くして、管内を浮上する気泡とともに揚水するものであり、そのため気泡径は数ｍｍ以上の大きさとする必要があるものである。
それに対し、本発明では空気を単に吹き込んで水と混合するのではなく、気泡を管内の不飽和水に対して溶解させることによって管内水の密度自体を軽くするものであり、そのために気泡が充分に溶解する余地のある深部の不飽和領域に対して気泡を放出するものであり、また気泡が微細であるほど溶解し易いので効率的であり、しかもキャビテーションが発生することもないので水域の深部から安定な取水が可能なものである。
【００１７】
以下、本発明の原理と具体例について図２を参照して詳細に説明する。
海洋深層水中の溶存ガス全圧は、溶存ガス圧計による国内の実測結果によると、多少のバラツキはあるがほぼ100%の飽和状態である。また、その成分は一部の微量ガスを除いて大気とほぼ同等である。
その理由は、海水中の溶存ガスの根源は大気が大気圧下において水面から水中に溶解したものであり、海水は大局的に大気以外に接触するガスがないゆえに、その濃度は如何なる深度においても大気圧下での飽和濃度相当と考えられるからである。
ここで、溶存ガスの溶解度はヘンリーの法則により気相部圧力に比例し、気相部圧力が高くなるほど増え、したがって海水中の溶存ガスは深度が深くなるほどそれに平衡する気相部圧力が高くなるが、現実の溶存ガス溶解量は上記のようにほぼ大気圧下での飽和濃度と同等であるので、結果的に海水中の溶存ガスは深度が深くなるほどその水深相当の気圧に対して不飽和となる。
つまり、図２に示すように飽和深度以深では溶存ガスが充分に溶解する余地のある不飽和領域となっているのであり、本発明はその不飽和領域に気泡を放出することを主眼とする。
【００１８】
海水中の溶存ガス量の計算式としてWeissの式があり、海水中の溶存ガス全量の計算結果は、淡水の空気溶解量（1気圧、0℃において0.029cm3/cm3、20℃において0.019cm3/cm3）よりやや少ないが、ほぼ同等であると考えられる。
また、ヘンリーの法則によると、あるガスＸの水中濃度Cxはそのガス分圧Pxが単位圧力だけ増減するごとに一定濃度増減する。すなわち、ΔCx＝αwx／ΔPx  の関係があり、
αwx  をあるガスＸの水に対する溶解度（μmol/m3/MPa、またはm3/m3/MPa）と称する。
一方、取水管内で当該水圧での溶解度以下の微細な気泡を放出すると、鉛直上昇流速が比較的遅く（約0.3〜0.9m/s）、取水管頂部に達するまでに約1〜3時間程度を要するために、一旦、気泡が海洋深層水中に溶解すると仮定できる。そして、当該部位の海洋深層水が取水管内を上昇し、当該部位の溶存ガスが飽和濃度を超えると、超えた溶存ガスが湧出すると仮定できる。
【００１９】
このような気相と液相が混在する流れに生じる流動模様は、管路の配置、両流体の物性値、両相の流速・流量などによって種々変化する。
鉛直管路においては、気相の体積流量が液相よりかなり小さい場合には気相は不連続で液相中に気泡状に分散した気泡流を生じる。気相流量が増加すると、気泡は管中心に集まって合体を重ね、管断面をほぼ満たすような気体プラグと小気泡を含む液体スラグとが交互に存在する流れ、すなわちスラグ流となる。さらに気相流量が増大すると、液相は管壁に押しやられ、管壁上に液膜があり、管軸部が気相となった環状流や、気相部に多数の微細液膜を含む環状噴霧流となる。
水平管路では、液相流量が大きい場合には鉛直管路とほぼ同様の流動様式であるが、液相流量が小さい場合には気相流量によって管上部の気相が連続している成層流・波状流のときと、そうでない気泡流またはせん状流のときがある。
【００２０】
このように、気相と液相が混在する流れに生ずる流動模様は複雑な様相を呈し、その圧力損失計算方法についても種々の提案がなされているが、ここでは気液混相流の計算を簡略化するため、海洋深層水の溶存ガスに対する特性を淡水の場合と同じとして扱う。さらに、流体のエネルギー保存の法則に対してベルヌーイの定理を拡張適用し、溶存ガスが湧出して気相となった部分に対してボイルの法則を適用する。
【００２１】
さて、図５に示した従来の海洋深層水の取水システムでは、キャビテーションの発生防止のために取水ポンプの吸込揚程は少なくとも7mH程度必要であったが、本発明において取水ポンプを使用することなく取水管内への気泡の放出による密度差を利用して従来と同等の7mH程度の揚程を得るために必要な気泡の放出量と揚水量の関係を以下に求める。
以下の検討では、取水量が3000m3/day程度（0.035m3/s程度）、取水口深度が海面下300〜500m程度、取水管全長が3000〜5000m程度の規模の海洋深層水取水システムを想定している。
【００２２】
取水管外部と取水管内部（取水口〜大気開放部）の流体エネルギー保存の法則により、
【数１】
2011032907.tif 000003
が成り立つ。
【００２３】
取水管内の気泡放出口からの気泡放出量と溶存ガス飽和深度との関係から、
【数２】
2011032907.tif 000004
が成り立ち、よって
【数３】
2011032907.tif 000005
となる。
【００２４】
次に、図２に示すDU〜DUB（気泡放出口深度〜気泡湧出開始深度）の区間において、気泡放出口から溶存ガス飽和度φAU％(＜100%)の微細気泡（空気）を吐出し、すべて海洋深層水中に溶解するものと仮定し、その容積は無視し重量のみ考慮すると、次の(3)式〜(6)式を得る。
【数４】
2011032907.tif 000006
【００２５】
さらに、(2)式〜(6)式より
【数５】
2011032907.tif 000007
となる。
【００２６】
これを２次方程式に整理して，次の(7)式
【数６】
2011032907.tif 000008
が得られる。
【００２７】
上式を解いて次の根が得られ、これが取水管内での気泡の放出量と取水量の関係式となる。
【数７】
2011032907.tif 000009
【００２８】
なお、以上の計算に用いた各パラメータを以下にまとめて示す。
【００２９】
【数８】
2011032907.tif 000010
【００３０】
【数９】
2011032907.tif 000011
【００３１】
ρA；空気密度（10℃において1.24×10-3g/cm3と仮定）
ρS；表層〜取水口の海水平均密度（1.025g/cm3と仮定)
ρD；取水管内の気泡放出口より下部の海洋深層水平均密度（1.027g/cm3と仮定)
ρUN；取水管内の気泡放出口より上部の溶存ガス不飽和範囲の海洋深層水平均密度
（g/cm3)
ρUB2；取水管内の気泡放出口より上部の溶存ガス飽和範囲の海洋深層水平均密度（g/cm3)
DS；取水口の海面からの深度(m)
DU；取水管内の気泡放出口の海面からの深度(m)
DUB；取水管内の溶存ガス飽和による気泡湧出開始点の海面からの深度(m)
DUA；取水管最後部（通常は大気開放部）の海面からの高さ(m)
VAUB；取水管内の溶存ガス飽和による気泡湧出開始点における海洋深層水からの溶存ガス    湧出量(m3)
VAUB2；同上溶存ガス湧出量の取水管内での水圧を考慮した場合の平均容積(m3)
【００３２】
【数１０】
2011032907.tif 000012
【００３３】
QAU；取水管内の気泡放出口からの気泡放出量(m3/s)
PAS；標準大気圧（0.101325MPa）
PA；標準大気圧における淡水中の溶存空気の分圧（0.101325MPa）
PAUB2；取水管内の溶存ガス飽和による気泡湧出開始点における海洋深層水からの
溶存ガス湧出量に対してボイルの法則を適用する場合の平均水圧(MPa)
αWA；淡水に対する標準空気（at  0℃、0.101325MPa）の溶解度(m3/m3/MPa)
αWA＝GA/PAS
GA；淡水における標準空気（at  0℃、0.101325MPa）の溶存ガス飽和量（0.029m3/m3）
【００３４】
【数１１】
2011032907.tif 000013
【００３５】
【数１２】
2011032907.tif 000014
【００３６】
LUB；取水口から気泡湧出開始点までの取水管長
HFUB；取水口から気泡湧出開始点までの取水管長における摩擦損失水頭(m)
（HFを求めるための上記計算式におけるLをLUBに置換する）
【００３７】
以上の計算を、海洋深層水温0℃、取水管内径0.27m、取水管頂部高さDUA＝DL＋5mの場合において以下の4ケースについて行い、その結果を図３および図４に示す。
・ケース（１）
取水管全長L＝5000m、取水口深度DS＝DL−500m、気泡放出口深度DU＝DL−400m
・ケース（２）
取水管全長L＝5000m、取水口深度DS＝DL−500m、気泡放出口深度DU＝DL−100m
・ケース（３）
取水管全長L＝3000m、取水口深度DS＝DL−300m、気泡放出口深度DU＝DL−200m
・ケース（４）
取水管全長L＝3000m、取水口深度DS＝DL−300m、気泡放出口深度DU＝DL−100m
【００３８】
図３は気泡放出口からの気泡放出量と取水量との関係を示し、この結果から、気泡放出量が多いほど取水量が増大すること、取水管全長が長くなれば取水量が低下すること、取水量は気泡放出口の深度には依存しないことがわかる。
【００３９】
また、図４は図３における（１）〜（４）の各ケースにおいて、各深層水取水量に対応する気泡飽和深度を算出したグラフである。このグラフにおいては取水管外部と取水管内部（海洋深層水取水口〜取水管大気開放部）の流体エネルギー保存の法則による[数１]、および取水管内部の気泡放出口からの気泡放出量と溶存ガス飽和深度の関係を示す[数２]の両式から[数３]を解き、[数３]により取水管内の溶存ガス飽和による気泡湧出開始点の海面からの深度（溶存ガス飽和深度＝気泡飽和深度）を算出している。この際、気泡放出量については、図３の各深層水取水量に対応した気泡放出量を用いている。
この結果から、深層水取水量が多くなるほど（気泡放出量を多くするほど）気泡飽和深度がマイナス側に大きくなる（深くなる）ことが分かる。
これらを考え合わせると、図３において、深層水取水量は気泡放出口の深さ位置には依存せずに気泡放出量に関係することから、気泡放出口の深さ位置はできるだけ浅い方がコスト上有利であるが、気泡放出量を多くする（深層水取水量を大きくする）と気泡飽和深度はマイナス側に大きくなるように気泡放出量（深層水取水量）と気泡飽和深度との関係は決まってくるから、気泡放出口をできるだけ浅くする場合においても、気泡放出量（深層水取水量）との関係から算出される気泡飽和深度以深とすることが必要であることが分かる。
【符号の説明】
【００４０】
３  取水管
４  取水口
５  送水管
６  貯水槽
７  気液分離槽
１１  取水室
１２  コンプレッサ（圧気装置）
１３  気泡放出管
１４  気泡放出口
【図１】
2011032907.tif 000015
【図２】
2011032907.tif 000016
【図３】
2011032907.tif 000017
【図４】
2011032907.tif 000018
【図５】
2011032907.tif 000019