(57)【要約】【課題】低温の深層水を取水管を通して取水する際に、海洋深層水の利用目的に応じて必要とされる吐出口の水温まで昇温調節を可能とした海洋深層水の取水方法に関する。【解決手段】取水ポンプ２から深層水の取水深さまで延長されてなる海洋深層水の取水管１に熱伝導性に優れた取水管を用い、必要とする吐出口３ａの水温に応じて取水管１内の流速を制御することで、管外の表層水からの熱伝達によって管内の低温深層水を昇温させることを特徴とする海洋深層水の取水方法である。本発明における取水管１内の流速は、取水口３の水温、吐出口３ａの水温、取水管１の熱伝導特性、管径、延長距離および海水温度に関係付けられる熱伝導算定式から求める。なお、熱伝導性に優れた取水管１としては、金属管または金属管に防食被覆したものを用いる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
取水ポンプから深層水の取水深さまで延長されてなる海洋深層水の取水管に熱伝導性に優れた取水管を用い、必要とする吐出口の水温に応じて取水管内の流速を制御することで、管外の表層水からの熱伝達によって管内の低温深層水を昇温させることを特徴とする海洋深層水の取水方法。
【請求項２】
取水管内の流速は、取水口の水温、吐出口の水温、取水管の熱伝導特性、管径、延長距離および海水温度に関係付けられる熱伝導算定式から求めることを特徴とする請求項１記載の海洋深層水の取水方法。
【請求項３】
取水管は、金属管または金属管に防食被覆した材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の海洋深層水の取水方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低温の深層水を取水管を通して取水する際に、海洋深層水の利用目的に応じて必要とされる吐出口の水温まで昇温調節を可能とした海洋深層水の取水方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海洋深層水はミネラルやその他の栄養分を豊富に含有し、かつ清浄である特徴を有するため飲用水や加工食品、化粧品等の多種の用途に使用されている。また海洋深層水はプランクトンを多く含むため、汲み上げた深層水中にて魚介類を飼育・養殖する栽培漁業に利用されている。
【０００３】
特に深層水を栽培漁業に利用する場合には、飼育・養殖水槽に大量の深層水を汲み上げるための取水手段が必要となる。従来の深層水取水手段は、取水管を数百メートルの深層水深さまで海底面に沿って敷設したり、または海面に浮上する浮体から垂下し、揚水ポンプで汲み上げるという方法が採用されていた。これらの従来技術で用いられる取水管は、例えば特開２０００−３０３５１１に開示されているような厚肉の硬質ポリエチレン管（管径３００ｍｍ、肉厚２２．４ｍｍ）を使用したものが多い［図５参照］。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
栽培漁業では魚介類の飼育・養殖に適した水温、すなわち表層海域に生育している魚介類は比較的高温で、深海の魚介類は低温で飼育・養殖する必要がある。しかし、従来技術で用いられる取水管では管材として使用している硬質ポリエチレンの熱伝導率が悪いため、取水口から取り込んだ低温の深層水（約１℃）があまり温度上昇することなく吐出口まで送られるため、そのままでは魚介類の飼育・養殖に適した水温が得られない。
【０００５】
また、深層水を飲用水に利用する場合には淡水化装置によって脱塩する必要が生じるが、逆浸透膜を使用した脱塩装置では膜透過能力が原水の温度に依存するため、水温を上げて処理した方が効率が向上する。さらに、汲み上げた深層水を低温のままで利用した場合でも、海水に放流する際にあまり温度差が大きいと放流海域の環境に影響を与えるという問題がある。
【０００６】
このため取水された低温の深層水は、▲１▼ボイラー等で加熱したり、▲２▼一旦昇温用の水槽に貯めて昇温したり、▲３▼温度の高い表層水に混合することで昇温されてから利用されている。しかし、前記▲１▼のボイラー等の加熱機を用いて昇温する場合は加熱に多大なエネルギーコストを要する。一方、前記▲２▼の昇温用の水槽に貯めて昇温する場合は、昇温用に水槽が必要となると共に水温上昇に時間を要する。また、前記▲３▼の表層水に混合して昇温する場合は深層水の清浄性が損なわれる上、栄養分も希釈されるので好ましくない。
【０００７】
また特開平７−９９８６２には、深層水の清浄性を維持して加熱するとともに、表層水の冷却を省エネルギーにて行うことを可能とする海洋生物生産用の海洋深層水および表層水の水温制御システムが開示されている。このシステムは、汲み上げた低温の深層水と高温の表層水をヒートポンプまたは熱交換器を通して昇温・冷却し、年間を通じて海洋生物の生育に適した水温に制御するものである。
【０００８】
前記の水温制御システムにおける深層水昇温手段を利用すれば、比較的省エネルギーでしかも表層水と混合することによる弊害もなく汲み上げた深層水を昇温できる。しかし、取水した深層水と表層水を熱交換する熱交換器やヒートポンプ、切替バルブ・配管等の設備が必要となり、また複雑な運転管理を要するため改善の余地があった。
【０００９】
本発明は前記従来技術の欠点を除くためにされたものであり、その目的は低温の深層水を取水管を通して取水する際に、簡単な構成で必要とされる吐出口の水温まで昇温調節を可能とした海洋深層水の取水方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決する手段】
本発明の要旨は以下のとおりである。すなわち本発明は、取水ポンプ２から深層水の取水深さまで延長されてなる海洋深層水の取水管１に熱伝導性に優れた取水管を用い、必要とする吐出口３ａの水温に応じて取水管１内の流速を制御することで、管外の表層水からの熱伝達によって管内の低温深層水を昇温させることを特徴とする海洋深層水の取水方法である。本発明における取水管１内の流速は、取水口３の水温、吐出口３ａの水温、取水管１の熱伝導特性、管径、延長距離および海水温度に関係付けられる熱伝導算定式から求める。なお、熱伝導性に優れた取水管１としては、金属管または金属管に防食被覆したものを用いる。
【００１１】
＜作用＞
取水管の材料として従来の硬質ポリエチレン管より著しく熱伝導率の高い金属管を使用することで、管外の比較的高温の海水からの熱伝達によって取水口から取り入れた低温深層水を管内移動中に昇温させる。深層水の昇温の程度は管内流速に依存するため、高い吐出口温度を得ようとする場合は管内流速を低くし、比較的低い吐出口温度でよい場合は管内流速を早くして水温調節をすることができる。
【００１２】
すなわち、従来の硬質ポリエチレン管では熱伝導性が悪いためほとんど昇温できなかったが、本発明では熱伝導性の優れた金属管を取水管としたことで極めて良好に熱伝達を得ることができ、管中の深層水を管内移動中に昇温することができる。因みに従来の取水管に用いられている硬質ポリエチレン管の熱伝導率に対し、本発明の取水管（金属管）の熱伝導率は約２桁大きい。
【００１３】
なお、深層水の吐出口３ａの水温を所望の水温（例えば魚介類の飼育・養殖に適した水温）にするには、取水口３の水温、取水管１の諸元（径、板厚、延長）・被覆の有無、取水管１外の海水温度分布から管内流速を求め、ポンプ運転を制御することで水温を調節できる。ただし、本発明では管外の海水（表層水）からの熱伝達によって管内の低温深層水を昇温させるので、昇温可能な範囲は表層水の水温以下である。
【００１４】
【発明の実施形態】
図１は本発明の全体図を示すものである。本発明では、水深数百ｍ（約３００ｍ以上）から地上まで海底に沿って取水管１が敷設されており、取水管１の地上側には取水ポンプ２が設けられている。そして、下端の取水口３から取り入れた深層水は取水管１を通して吐出口３ａから図示しない養殖水槽等の利用施設に配水される。なお、取水管１は浮体から深層水の取水深さまで垂下する方式にしてもよい。
【００１５】
本発明に使用する取水管１は、熱伝導がよく耐久性と強度を備えたもので、しかも深層水取水深度まで施工可能なものとする必要がある。この条件を満たす取水管としてはステンレス鋼あるいは普通鋼の鋼管４に防食被覆したものが望ましい。
【００１６】
図２（ａ）は普通鋼の鋼管４の内外面に防食被覆した取水管１の断面図である。防食被覆層５は熱伝導を悪化させるため、防食性能を発揮できる範囲でできるだけ薄くした方が望ましい。なお、取水管１を海底に敷設施工する際に中空状態にして浮力を利用する場合、管径が大きいものは管体が浮上しないようにウエイトコンクリート６で被覆して重量附加する場合がある［図２（ｂ）参照］。この取水管１はコンクリート被覆６によって熱伝導が若干悪くなる。
【００１７】
取水管１で汲み上げた深層水の吐出口水温を所望の水温にするために管内流速を制御する手段は、流量調節可能な公知の取水ポンプ２を用いて流量調節すればよい。なお、複数の取水ポンプ２を並列配置してもよく、この場合は取水ポンプ２の運転台数を選択することによって取水流速を制御できる。
【００１８】
＜実施例＞
以下、本発明の具体的な実施例において取水管１（管径２００〜４００ｍｍ）と深層水の取水水温の関係を算定例を従来の取水管７の比較例と共に説明する。算定条件は以下の通りとした。
・取水水深　＝３５０ｍ
・取水管延長（取水口から吐出口までの長さ）　Ｌ＝４０００ｍ
・深層水取水口水温　＝１．０５℃
・取水管外の表層水温　＝２６．１７℃（９月）
・取水管材料の熱伝導率　　鋼管：５１Ｗ／ｍＫ、ポリエチレン：０．４１Ｗ／ｍＫ（内面エポキシ塗装は厚さ０．５ｍｍのため無視した。）
・本発明の取水管１（鋼管の内外面に防食被覆）：図２（ａ）に示す断面形状において表１のケース１〜３。
・比較例（従来例の硬質ポリエチレン管７）：図５に示す断面形状において表１のケース４〜６。
【表１】
2004036442.tif 000003
【００１９】
＜熱伝導算定式＞
（１）熱収支の式
【式１】
2004036442.tif 000004
・管外より取得される熱量
【式２】
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【式３】
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【００２０】
（２）管内水温
熱収支の式より任意の区間において▲１▼〜▲３▼式より▲４▼式のように表される。
【式４】
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▲４▼式の微分方程式を解いて、Ｔｉｎ（吐出口水温）とｕ（管内流速）の関係式が得られる。
ここで、図４は上記算定式により算定された各ケースにおける取水管内の流速と取水管吐出口の深層水水温の関係を示すものである。また、表２は管内流速が遅い場合（０．１ｍ／ｓｅｃ）と早い場合（０．５ｍ／ｓｅｃ）における各ケースの吐出口水温を表したものである。
【表２】
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【００２１】
＜算定結果＞
図４および表２に示すように、取水管１に鋼管４を使用した本発明のケース１，２，３は、従来のポリエチレン管７を使用したケース４，５，６（比較例）に対して、管内流速の全域において著しく高く昇温できることが解る。
【００２２】
すなわち、本発明の取水管１を管径２００ｍｍに設定した場合（ケース１）、管内流速０．１ｍ／ｓｅｃ〜０．５ｍ／ｓｅｃの範囲で約１℃の深層水（取水口水温）を２２℃〜１６℃の吐出口水温に昇温できる。そして管内流速０．１ｍ／ｓｅｃでは、表層水の水温約２６℃に近い吐出口水温が得られる。一方、従来の取水管７では同条件（ケース４）で約１６℃〜６．５℃の吐出口水温であり、本発明の方が６〜９．５℃も高い水温が得られている。
【００２３】
また、本発明の取水管１を管径４００ｍｍに設定した場合（ケース３）には、吐出口水温が約２０℃〜１１℃となり、従来の取水管７では同条件（ケース６）で約８〜３℃となっており、管径２００ｍｍの場合に比較して両者とも熱伝達の影響によって昇温の程度は落ちているが、本発明の方が１２〜８℃も高い水温が得られている。
【００２４】
さらに取水した深層水の昇温の程度は管内流速に変化し、管内流速を０．５ｍ／ｓｅｃから０．１ｍ／ｓｅｃに遅くした場合、管径２００〜４００ｍｍにおいて約６℃〜９℃高くなる（本発明）。
【００２５】
従って、深層水の利用目的に応じて、高温の深層水を得ようとする場合は管内流速を遅くし、低温の深層水を得ようとする場合は管内流速を早くすればよい。なお、上記実施例では取水管外（表層水）の海水温度が高い９月のケースを例にとって算定したものであるが、取水管外の季節毎の海水温度の条件を入れることで、季節によって変化する吐出口水温を算定することが可能である。
【００２６】
本発明に係る深層水の取水方法を実施する場合、単位時間当たりの深層水の汲み上げ流量、利用目的に応じた深層水の吐出水温調節範囲を前提として取水管１の諸元、取水ポンプ２の能力を設定することにより、必要とする水温に調節された深層水を得ることが可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、取水ポンプから深層水の取水深さまで延長された熱伝導性の優れた取水管を用いているため、取水口から取水した低温の深層水を特別の加熱手段を用いることなく昇温して取水することができる。また、取水管内の流速を制御するのみで必要とする吐出口の水温に調節できる。
【００２８】
このため、深層水を清浄な状態で取水でき栽培漁業に適した水質で、魚介類の種類別の生育環境に適合した所望の吐出口水温や逆浸透膜を使用した淡水処理において効率よく淡水化できる深層水が得られる。また、取水した低温の深層水を加熱するための加熱設備や加熱のための配管等を必要としないため設備費用が不要となる。しかも、取水ポンプを流量調節するのみで取水管内の流速を調節して必要とする吐出口水温を得ることができるため、運転が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の取水管の配置状況を示した全体図である。
【図２】（ａ）は内外面に防食被覆を施した本発明の取水管（鋼管）の断面図であり、（ｂ）は内外面に防食被覆を施し、更に重量附加用のコンクリート被覆をした本発明の取水管（鋼管）の断面図である。
【図３】取水管の熱伝導算定式のモデルを示した図である。
【図４】取水管内の流速と取水管吐出口の深層水水温との関係を示した図である。
【図５】従来の厚肉の硬質ポリエチレン管の断面図である。
【符号の説明】
１　　取水管
２　　取水ポンプ
３　　取水口
３ａ　吐出口
４　　鋼管
５　　防食被覆層
５ａ　内面防食被覆層
６　　コンクリート被覆層
７　　取水管（硬質ポリエチレン管）
【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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