(57)【要約】【課題】給水のエネルギーのみで貯水槽１内の水を効率的に循環させ、滞留水の発生を防止し、また塩素検出器８等の検出精度を向上させる。【解決手段】給水管３の吐水口３ａの下方に導水管１５の上端部を配置し、この導水管１５の下端部を貯水槽１の底部まで延長してノズル部１７を形成し、吐水口３ａからの給水をこの導水管１５内に流入させ、この導水管１５内の水位の上昇による水頭圧によりノズル部１７から水を噴出させ、貯水槽１内の水を循環させる。【選択図】    図１
2005282050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯水槽と、この貯水槽内の上部に設けられ先端が吐水口に形成された給水管と、この給水管の途中に設けられた給水弁と、前記貯水槽内の上部に開口した越流管とを備え、この越流管の開口面によって定まる越流面から上記の給水管の吐水口が所定の距離だけ上方に離れて配置されているものにおいて、上記の貯水槽内には導水管が設けられており、この導水管の上端部開口はこの貯水槽の高水位面より上方で上記の給水管の吐水口の下方に開口しており、またこの導水管の下端部は上記の水槽内の底部に達しており、この導水管の下端部にはノズル部が形成されており、上記の給水管から給水される水の流量をＱ、上記のノズル部の開口面積をＡ、上記の導水管の上端部開口から上記の高水位面までの高さをＨ、水の密度をρとした場合に、
Ｈ＞Ｋ・１／２・ρ・（Ｑ／Ａ）2    （１）  
ただし、Ｋは動圧を水頭に換算する定数、
としたことを特徴とする貯水槽装置。
【請求項２】
前記の導水管内の断面積は前記の給水管内の断面積より大きいことを特徴とする請求項１の貯水槽装置。
【請求項３】
前記の導水管の上端部開口は前記の越流面より下方に位置していることを特徴とする請求項１の貯水槽装置。
【請求項４】
前記の導水管の上端部は上方に向けて拡径したテーパ状の形状をなしていることを特徴とする請求項１の貯水槽装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は貯留されている水を新たな給水によって循環させる貯水槽に関し、さらに特定すれば、本発明は上水用の貯水槽等、貯水槽内の越流面より上方に給水管の吐水口が開口している貯水槽において、この吐水口からの給水によって貯水槽内の水を効率的に循環させる貯水槽装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、上水用の貯水槽等においては、断水時等において万一配水管内が負圧となった場合の水の逆流を確実に防止するために、この貯水槽に設けられたオーバーフロー管すなわち越流管の開口位置に対応した越流面と給水管の吐水口との間に吐水口空間と称される空間を設定するように法規により定められている。この吐水口空間は、越流面から吐水口までの高さで表され、給水管の径に対応した高さを設定するように定められている。上水用に限らず、逆流を確実に防止する必要がある場合には、このような構造の貯水槽が採用される場合がある。
【０００３】
このため、このような貯水槽においては、吐水口から吐水された給水は、上記の吐水口空間を落下して水面に衝突する。このため、給水の有する運動エネルギーは、この給水と水面との衝突による水面の波立ち、騒音、給水の落下部分における急激な攪拌の際の粘性抵抗等により消費されて給水は勢いを失い、この吐水口の下部分に新たな給水の水塊が形成され、この新たな給水が貯水槽内の水と攪拌混合されることが少ない。このため、大形の貯水槽等では、吐水口と流出口とを結ぶ直線的な経路に沿って水が優先的に流れる水脈が形成されてしまい、この水脈から外れた位置にある水は新たな給水と交換されることなく長期間にわたり滞留し、残留塩素の散逸により水質が低下し、いわゆる死水と称される滞留水を生じる。
【０００４】
また、最近では貯水槽内の水の水質管理が重視され、残留塩素濃度のより厳格な管理が要求されている。このため、貯水槽内に塩素濃度検出器を設けて常時残留塩素濃度を監視し、残留塩素濃度が低下した場合には自動的に塩素を補給する各種の装置の開発が試みられている。しかし、上述のように、貯水槽内の水の循環ないし攪拌が不十分であるため、上記の塩素濃度検出器による残留塩素の測定精度が低下し、または補給した塩素の混合拡散等が悪い等の問題もある。
【０００５】
このような貯水槽内の水の循環や交換の効率を向上させるために、従来から各種の試みがなされている。特許文献１には、貯水槽内の水をポンプによって循環させ、死水領域の発生を防止する技術が開示されている。しかし、このようなものは、構造が複雑となり、またポンプの運転に多くの電力を必要とする。
【０００６】
また特許文献２には、円筒型の貯水槽の内部に上方から接線方向に給水をなし、この貯水槽内に緩やかな旋回流れを発生させ、またこの貯水槽の中心部に円筒支柱を設け、この円筒支柱を介して貯水槽の中心部から水を取り出し、旋回流を強めて貯水槽内部の水の循環をさせるものがある。しかし、このようなものは、構造が複雑であるとともに、貯水槽が円筒型のものに限定され、角型の形状の貯水槽では十分な循環を達成できないと思われる。また、給水を接線方向に供給するとしても、この給水が貯水槽内の水面と衝突する際に、その運度エネルギーの多くが前述のように消費され、効率が低いと思われる。  
なお、給水の流れにより貯水槽内を循環させるものとして、たとえば特許文献３、特許文献４および特許文献５に開示されているようなものがある。しかし、これらのものは、いずれも給水管を貯水槽内の水の中に直接開口させたもので、配水管の途中に設けられる圧力タンク形の非常用貯水槽等、配水管の一部として扱われる貯水槽には適用可能であるが、一般の建物に使用されている受水槽や高置水槽等の開放型の貯水槽では、前述のように吐水口空間を確保しなければならないという制約があり、これらの貯水槽には適用できない。
【特許文献１】特開平４−３３０１２６号公報
【特許文献２】特開平１１−３０３１５９号公報
【特許文献３】実開平５−１０２９６号公報
【特許文献４】特開平１１−１７２７２７号公報
【特許文献５】特開平１１−３５０５４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は以上の事情に基いてなされたもので、上部に吐水口空間を設定する必要のある貯水槽において、新たな給水の有するエネルギーのみを用いて貯水槽内の水を効率的に循環させ、また構造が簡単で製造コストおよび保守の容易な貯水槽装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の本発明は、貯水槽と、この貯水槽内の上部に設けられ先端が吐水口に形成された給水管と、この給水管の途中に設けられた給水弁と、前記貯水槽内の上部に開口した越流管とを備え、この越流管の開口面によって定まる越流面から上記の給水管の吐水口が所定の距離だけ上方に離れて配置されているものにおいて、上記の貯水槽内には導水管が設けられており、この導水管の上端部開口はこの貯水槽の高水位面より上方で上記の給水管の吐水口の下方に開口しており、またこの導水管の下端部は上記の水槽内の底部に達しており、この導水管の下端部にはノズル部が形成されており、上記の給水管から給水される水の流量をＱ、上記のノズル部の開口面積をＡ、上記の導水管の上端部開口から上記の高水位面までの高さをＨ、水の密度をρとした場合に、
Ｈ＞Ｋ・１／２・ρ・（Ｑ／Ａ）2              （１）
ただし、Ｋは動圧を水頭に換算する定数、
としたものである。
【０００９】
また、請求項２に記載の本発明は、前記の導水管内の断面積は前記の給水管内の断面積より大きいことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項３に記載の本発明は、前記の導水管の上端部開口は前記の越流面より下方に位置していることを特徴とするものである。
【００１１】
また、請求項４に記載の本発明は、前記の導水管の上端部は上方に向けて拡径したテーパ状の形状をなしていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の本発明は、給水管の吐水口から吐出された給水は、導水管の上端開口からこの導水管内に流入し、この導水管内を下降して下端部のノズル部から貯水槽内に流出する。この場合に、このノズル部から流出する給水の速度に対応して、その動圧分だけ圧力が高くなる必要があるが、この導水管の上端部は貯水槽内の高水位面すなわち水面より上方に突出しているので、この導水管内の水面の位置は貯水槽内の水面より高くなり、この高さの差に相当する水頭圧分が上記の動圧分に相当する。したがって、給水の有する位置エネルギーを有効に利用してノズル部から給水を貯水槽内に噴出し、貯水槽内の水の循環をさせることができる。前記の（１）式は、上記の水位差より導水管の上端部が高くなる条件であり、この式の関係を満足することにより、導水管の上端部から給水が溢れることがなく、給水の持つ位置エネルギーを有効に利用することができる。
【００１３】
なお、この水位差すなわち水頭をたとえば約２１０ｍｍ程度とすれば、導水管のノズル部から噴出する給水の流速は約２．０ｍ／ｓとなる。一般に給水管内の流速はウォーターハンマを防止するため、約２ｍ／ｓ程度に設定されているので、上記の導水管の上端部を各種の損失分を見込んで水面から２５０ｍｍ程突出させれば、給水管をこの貯水槽の底部に直接開口させて給水流により直接循環を発生させるのと同等の効果がある。また、このものは、構造が簡単で製造コストが低いとともに、ポンプ等を必要としないので、保守等も簡単である。なお、給水は導水管内に流入し、貯水槽内の水面に衝突しないので、水面の波立ち、騒音の発生を低減することもできる。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明によれば、導水管の断面積は給水管の断面積より大きいので、給水管の吐水口から吐出された水はこの導水管内に円滑に導入され、かつこの水が導水管内を下降する場合の流速が低くなり、その管路抵抗が軽減する。
【００１５】
また、請求項３に記載の本発明によれば、この導水管の上端部は越流面より下方に位置しているので、吐水口空間に関する法規に影響がなく、既存の貯水槽にも適用できる。すなわち、上記の吐水口空間に関する法規には、越流面から吐水口までの高さに関する規制とともに、近接壁と称される、この吐水口に近接している貯水槽の壁等の障害物に関する規制があるが、この近接壁は越流面より上の壁等を対象としている。よつて、この導水管の上端部が越流面より下方にあれば、この導水管の存在は法規の規制の対象とはならず、既存の貯水槽にも適用が容易である。
【００１６】
また、請求項４に記載の本発明によれば、この導水管の上端部は上方に拡径したテーパ状をなしているので、吐水口から吐水された給水がこの導水管内に円滑に導入され、また給水が周囲に飛散することもなく、水面の波立ちや騒音を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図を参照して本発明の実施形態を説明する。この実施形態は、上水の受水槽を対象としたものであるが、本発明は雑用水、その他内部に吐水口空間を確保する必要のある貯水槽一般に適用できるものである。
【００１８】
図１には、この給水装置の全体を示す。図中の１は受水槽、高置水槽等の貯水槽である。この貯水槽１には給水弁２および給水管３を介して上水が給水される。また、この貯水槽１内に貯留された水は流出管４を介してポンプ等により末端の水栓等に給水される。なお、この実施形態では、上記の給水弁２として自力型の自動弁が用いられる。このような給水弁２は内部にシリンダ、ピストンなどを内蔵しており、シリンダ内の水圧を放圧することにより、給水の水圧により自動的に開閉する。なお、この給水弁２のシリンダ内の水を放出するためにパイロット管５および副弁６が接続されており、この副弁６が開弁すると上記の給水弁２も開弁し、またこの副弁６が閉弁すると給水弁２も閉弁する。なお、上記の副弁６は、電気的に開閉する電磁弁が使用されている。
【００１９】
また、この貯水槽１の底部には水位検出器７が取り付けられている。この水位検出器７は、この貯水槽１内底部の水圧すなわち水頭圧を測定し、この水頭圧からこの貯水槽１内の水位が算定される。
【００２０】
また、この貯水槽１の内の底部中央部には、塩素検出器８が取り付けられている。この塩素検出器８は、たとえば特許第３３９０１５４号公報に開示されているような、起電力測定方式、または電流測定方式の電極式の残留塩素検出器が好ましい。この塩素検出器８は、この貯水槽１内の水の残留塩素濃度を測定する。この塩素検出器８は、上記の給水管３の吐水口の下方より離れた位置、たとえば給水管３の吐水口が貯水槽１の隅部に配置されている場合は上記のように貯水槽１の中央部に設置される。
【００２１】
また、９は塩素注入装置である。この塩素注入装置は、塩素を含む薬剤、たとえば次亜塩素酸ソーダ液をポンプ等により設定された所定量ずつ注入する装置であり、この実施形態の場合には、上記の給水管３の給水弁２の近傍位置においてこの給水管３内に次亜塩素酸ソーダを注入するように構成されている。なお、最近では、食塩水等の塩素イオンを含む水を電気分解し、電解次亜塩素酸ソーダを生成してこの塩素イオンを殺菌力のある遊離塩素に転換し、この塩素を含んだ水を注入する塩素注入装置も開発されており、このような塩素注入装置を使用してもよい。
【００２２】
また、１０はこの給水装置の制御装置であり、上記の副弁６、水位検出器７、塩素検出器８および塩素注入装置９はこの制御装置に接続されている。そして、この制御装置１０は水位検出器７からの信号により貯水槽１内の水位を測定し、設定された値と比較して給水弁２の開閉をなし、給水を制御してこの貯水槽１内の水位を所定の水位範囲に維持する。また塩素検出器からの信号から貯水槽１内の水の残留塩素濃度を測定し、この値が所定の値以下に低下した場合には、上記の塩素注入装置９を作動させて塩素を補給し、貯水槽１内の水質を維持する。
【００２３】
次に、この貯水槽１内の水の循環を促進するための構成を説明する。この貯水槽１の上部には、オーバーフロー管すなわち越流管１１が接続されている。この越流管１１の開口に対応して越流面が設定される。この越流面は、万一給水弁２が故障して給水が停止されない場合に、貯水槽１内の水が越流管１１から溢流する場合の水面であり、この貯水槽１内の水位はいかなる場合でもこの越流面より上昇することはない。なお、図１および図２
において、この越流面の位置をＬｏで示す。また、上記の給水管３の下端部の吐水口３ａの位置をＬｐで示すと、このＬｏとＬｐの高さの差Ｈ１が前述の吐水口空間である。
【００２４】
また、上記の制御装置１０によってこの貯水槽１内の水位が所定の水位範囲に維持される。図のＬhが高水位面であり、この高水位面Ｌｈまで水位が上昇すると給水弁２が閉弁されて給水が停止される。また、Ｌｌが低水位面であって、この低水位面Ｌｌまで水位が低下すると、給水弁２が開弁され、給水がなされる。よって、この貯水槽１内の水位は、上記の高水位面Ｌｈと低水位面Ｌｌとの間の範囲に維持される。なお、通常の貯水槽１では、上記の高水位面Ｌｈは越流面Ｌｏから約１５０〜２００ｍｍ下方に設定されている。
【００２５】
次に、この貯水槽１内には、略鉛直方向に導水管１５が取り付けられており、この導水管１５の上端部は上記の給水管３の吐水口３ａの下方に位置している。この導水管１５は塩化ビニール樹脂等で形成されたもので、円管状の本体部１６と、その下端部に形成されたエルボ状のノズル１７と、上端部に形成され上方に向けて拡径されたロート状のテーパ部１８とを備えている。そして、この導水管１５の下端部は貯水槽１の底部に達しており、ノズル部１７は略水平の方向を指向している。また、上端部は、上記の高水位面Ｌｈより上方に突出している。なお、この実施形態ではこの導水管１５の上端部の突出高さＨ３は約２５０ｍｍ程度に設定され、また上記の越流面Ｌｏと高水位面Ｌｈの高さの差Ｈ２は２５０ｍｍ程度に設定されている。したがって、この実施形態では、上記の導水管１５の上端は越流面Ｌｏと同じ位置で、Ｈ２＝Ｈ３となっている。また、この導水管１５は、その本体部１６が給水管３の径より大きく形成され、よってその断面積は給水管３の断面積より大きくなっている。
【００２６】
上記の貯水槽１内の水位が低水位面Ｈｌまで低下すると、給水が開始され、この給水は導水管１５の上端部内に流入する。そして、この水は導水管１５の本体部１６内を下降し、ノズル部１７から噴出する。この場合に、この水の噴出に必要な動圧分だけノズル部１７内の水圧が高くなり、この動圧分に相当する水頭Ｈｄ分だけ導水管１５内の水位が貯水槽１内の水位より高くなる。この場合、上記のノズル部１７の開口面積をＡ、給水管３からの給水の流量をＱとすると、この導水管１５の上端部に流入した水が下端部のノズル部１７から噴出する速度Ｖは、
Ｖ＝Ｑ／Ａ                                              （２）
ここで、ノズル部１７からこの速度で水が噴出するには、上述のようにこのノズル部１７の内部と外部との間に動圧に相当する差圧Ｐが必要であり、この差圧Ｐは、水の密度をρとすると、
Ｐ＝１／２・ρ・Ｖ2   ＝１／２・ρ・（Ｑ／Ａ）2           （３）
である。この場合、この差圧は上記の導水管１５内の水位が貯水槽１内の水位より高くなることにより、その水頭圧として与えられる。よって、この動圧Ｐと、この動圧に相当する水頭圧を与えるための水頭Ｈｄとの関係は、
Ｈｄ＝Ｋ・Ｐ＝Ｋ・１／２・ρ・（Ｑ／Ａ）2                 （４）
となる。ここで、Ｋは動圧を水頭に換算するための定数で、ＳＩ単位で表す場合には、
Ｋ＝１．０２×１０−4                                    （５）    
である。なお、上記の水頭Ｈｄとノズル部１７からの水の噴出速度Ｖとの関係を図３に線図で示す。このようにして、導水管１５内の水位は、常に貯水槽１内の水位よりＨｄだけ高い状態を維持しながら、貯水槽１内の水位とともに、この貯水槽の水位が高水位面Ｈｈまで上昇して給水が停止されるまで共に上昇する。したがって、上記の導水管１５の上端部を高水位面Ｌｈより上方に突出させる高さＨを、
Ｈ＞Ｋ・１／２・ρ・（Ｑ／Ａ）2                           （１）
とすることにより、貯水槽１内の水位が高水位面Ｈｈまで上昇した場合でも給水がこの導水管１５の上端部から溢れ出ることがなく、給水の位置エネルギーを有効にノズル部１７からの噴出する水の運動エネルギーに変換できる。
【００２７】
なお、上述の説明では、水の粘性による各種の損失を省略しているが、実際の装置においても、これらの損失はわずかである。たとえば、ノズル部１７からの水の噴出速度Ｖを２．０ｍ／ｓに設定した場合、導水管１５の本体部１６の径をノズル部１７の開口径の２倍で直径１００ｍｍとすると、この場合の本体部１６内の流速は０．５ｍ／ｓであり、この圧力損失は約３ｍｍＡｑ／ｍである。したがって、この本体部１６の長さを３ｍとしても、圧力損失は３×３＝９ｍｍＡｑである。さらに、エルボ状のノズル部１７の損失を９０°エルボの損失と同等とみなすと、相当管長で約４．２ｍｍＡｑ／ｍであり、これらを合計しても、全体の圧力損失は（３+４．２）×３＝２１．６ｍｍＡｑであり、導水管１５内の水位が前述の計算より２１．６ｍｍ上昇するだけである。
【００２８】
したがって、たとえば図３に示すように、ノズル部１７からの水の噴出速度Ｖを２．０ｍ／ｓに設定すると、これに必要な水頭Ｈｄは約２１０ｍｍである。これに上記の損失を加算すると２３１．６ｍｍであり、この他の損失、および余裕を見込んでも、上記の導水管１５の上端の突出高さを２５０ｍｍ程度にすれば、ノズル部１７からの水の噴出速度を２．０ｍ／ｓ程度とすることができ、かつ貯水槽１内の水位が高水位面Ｈｈまで上昇しても導水管１５の上端部から水が溢れることはない。なお、通常の設計では、水道配管内の水の流速はウォーターハンマを防止するために２．０ｍ／ｓ程度に設定されるので、上記の例では、給水管３を貯水槽１の底部に直接開口させ、貯水槽１内の水を直接給水流で循環させるのと同等の効果がある。
【００２９】
したがって、他の動力を必要とせず、給水の位置エネルギーだけで貯水槽１内の水を効率よく循環させ、滞留水の発生を防止するとともに、貯水槽１内の水が均一に攪拌混合され、塩素検出器８により貯水槽１内の水の平均的な残留塩素濃度を検出でき、その検出制度が高くなる。
【００３０】
なお、本発明は上記の実施形態には限定されない。たとえば、導水管は断面円形のものには限定されず、その他の断面形状の筒状のものであればよい。また、ノズル部の指向方向は貯水槽の形状等に対応して最も効率的に水が循環されるような任意の方向を選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の貯水槽装置の全体の概略図。
【図２】導水管と各部の関係を模式的に示す図。
【図３】ノズル部からの水の噴出速度と水頭圧との関係を示す線図。
【符号の説明】
【００３２】
１    貯水槽
２    給水弁
３    給水管
３ａ  吐水口
７    水位検出器
８    塩素検出器
９    塩素注入装置
１０  制御装置
１１  越流管
１５  導水管
１７  ノズル部
１８  テーパ部
【図１】
2005282050.tif 000003
【図２】
2005282050.tif 000004
【図３】
2005282050.tif 000005