(57)【要約】【課題】液体中の固形粒子を連続的に分級できる液中固形粒子分級装置を提供する。【解決手段】本発明の液中固形粒子分級装置は、固形粒子を含む液体ｗから固形粒子を分級する液中固形粒子分級装置Ｓであって、固形粒子を含む液体ｗを供給するためのポンプ２０と、液体ｗが流入する蛇管型もしくは螺旋型の円状管１０ｅをもつ遠心分離機構１０と、円状管１０ｅ内においてその中心軸Ｏ近くの遠心力が強く加わった側の液体ｗと中心軸Ｏから遠くの遠心力が弱く加わった側の液体ｗと当該両側間の液体ｗとを、遠心分離機構１０の下流で遠心力の強弱に対応して、複数に分けて取り出す取水口１１、１２とを、備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形粒子を含む液体から前記固形粒子を分級する液中固形粒子分級装置であって、
前記固形粒子を含む液体を供給するためのポンプと、
前記液体が流入する蛇管型もしくは螺旋型の円状管をもつ遠心分離機構と、
前記円状管内においてその中心軸近くの遠心力が強く加わった側の液体と前記中心軸から遠くの遠心力が弱く加わった側の液体と当該両側間の液体とを、前記遠心分離機構の下流で前記遠心力の強弱に対応して、複数に分けて取り出す取水口とを、
備えることを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項２】
請求項１記載の液中固形粒子分級装置において、
前記遠心分離機構による遠心分離により得られた液体のうちの一部を採取する採取手段と、
前記遠心分離機構による遠心分離により得られた液体のうちの一部を排出する排出手段と、
当該液体のうちの残りの液体を、前記遠心分離機構において複数回同じ流路で遠心分離するため、再び前記遠心分離機構に流入させる循環手段とを
備えることを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項３】
請求項２記載の液中固形粒子分級装置において、
前記遠心分離機構において遠心力が強く加わった側の液体と遠心力が弱く加わった側の液体と当該両側間の液体とを、再度前記遠心分離機構に流入する場合、
前記遠心分離機構の既通過により遠心力が強く加わった側の液体は、前記遠心分離機構で遠心力が強く加わる側に向かう流入口から前記遠心分離機構に流入させ、
前記遠心分離機構の既通過により遠心力が弱く加わった側の液体は、前記遠心分離機構で遠心力が弱く加わる側に向かう流入口から前記遠心分離機構に流入させる
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項４】
請求項２記載の液中固形粒子分級装置において、
再度前記遠心分離機構に流入させる分級後の液体を、当該分級後の流路より外側の流路に向かうよう前記遠心分離機構に流入させる
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちの何れか一項記載の液中固形粒子分級装置において、
前記円状管内の円状の流れの接線方向の液体の流速ｖ、前記円状管の前記中心軸から当該液体までの距離ｒ、重力加速度ｇについて、  ｖ２／ｒ＞ｇ  の関係を満足し、
重力加速度以上の遠心加速度を前記円状管内の前記液体に加える
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のうちの何れか一項記載の液中固形粒子分級装置において、
前記遠心分離機構での遠心分離により得られた液体の取出口の上流に、前記遠心分離機構で前記中心軸に近くの遠心力が強く加わった側の液体と前記中心軸から遠くの遠心力が弱く加わった側の液体との間に当該両液体が混合しないよう分流するための分流部材を備える
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項７】
請求項１から請求項６のうちの何れか一項記載の液中固形粒子分級装置において、
前記遠心分離機構の円状管を並設した
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【請求項８】
請求項１から請求項６のうちの何れか一項記載の液中固形粒子分級装置において、
前記遠心分離機構の円状管を渦巻き状とした
ことを特徴とする液中固形粒子分級装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば浄水場等で原水中の濁質分を凝集させる凝集剤を注入する制御を行うための水質計測器に係り、特に濁質分が凝集したフロックを分級するための液中固形粒子分級装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、浄水場等では、取水した原水に凝集剤を注入することで、原水中の濁質分を凝集させてフロックを形成させ、生成したフロックを沈殿池で沈降させ分離する凝集沈殿処理が行われている。フロックを沈降させ分離した沈殿水は、次段(下流)の浄水施設であるろ過池に導入されろ過され、ろ過水と不純物とに分離される。この凝集沈殿処理では、原水の水質、例えば濁質分の濃度などに応じて決定される凝集剤注入率が重要である。
【０００３】
凝集沈殿処理では、一般に原水の水質（濁度、アルカリ度、ｐＨなど）の測定結果から予め設定した凝集剤注入モデル式に従い凝集剤注入率を演算し、この凝集剤注入率に基づいた凝集剤を注入するフィードフォワード制御と、沈殿池出口での濁度の測定結果に基づいて、凝集剤注入率を補正するフィードバック制御を組み合わせたフィードフォワード・フィードバック制御が採用されている。
【０００４】
しかし、凝集沈殿処理の特質上、すなわち濁質分を凝集剤でフロックに凝集させて重力によって自然沈殿させるという過程を経ることから、凝集剤を注入してから最終的な沈殿池出口の濁度として判明するまで約３〜４時間と時間遅れが大きい。このため、フィードバックによる凝集剤注入率の補正を困難としている。つまり、大きな時間遅れに起因して原水の水質が変動するなど適切な補正が困難となっている。
【０００５】
そこで、時間遅れ短縮のため、凝集剤注入後の微小フロックを指標とする凝集剤注入制御方法が提案されている。この制御方法は凝集剤が注入された原水を、従来の沈殿地出口よりも早い段階で採水することによりフィードバック補正の時間遅れを短縮し、原水の水質が変動しても早期に凝集剤注入率の補正を可能とするものである。
【０００６】
具体的には、凝集剤が注入された原水に微小フロックが多いと以降のフロック成長が遅くなり、結果的に沈殿池出口の濁度が高くなる。そこで、フィルタなどの分級手段により微小フロックを取得してその量を測定することで、高精度に凝集剤注入率の補正ができる。
【０００７】
ここで、微小フロックの定量方法としては、例えば、固形成分のアルミニウム濃度を測定することなどが挙げられる。試料水(原水)中のアルミニウム濃度の測定方法としては、原子吸光光度法、ＩＣＰ(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法、ＩＣＰ質量分析法および吸光光度法などがある。このうち、吸光光度法としてエリオクロムシアニンレッド（Ｃ２３Ｈ１５Ｎａ３Ｏ９Ｓ、以下、ＥＣＲと称す）を呈色試薬として用いる方法がある。これは溶解性アルミニウムがｐＨ４．６〜５．６の領域において、ＥＣＲ試薬と呈色反応を起こし錯体を生成するので、その吸光度を求めることで定量するものである。
【０００８】
この凝集剤注入制御方法を実現するためには、試料水(原水)中の微小フロックを連続して分級できる固形粒子分級装置が必要である。これらの微小フロックの含有比率を高める手段としては、例えば、ビーカに被処理水を採水して所定量の凝集剤を注入後、急速攪拌、緩速攪拌および静置を施し、上澄み液を採水する方法（ジャーテスト）がある。
【０００９】
また、連続的に処理する方法として、特許文献１には、懸濁水や処理水が装置上部側から供給され、その下降流が流れる下降流路と、下降流路の下部を開口して設けられた下降流を上昇流に反転させる沈殿部と、沈殿部の上部に設けられた上昇流が流れる上昇流路とから構成された懸濁水分離処理システムが開示されている。
【００１０】
特許文献２には、槽の底部位の中心に、上方向面を閉じた構造の採水口を配置し、槽の上部には、懸濁質濃度の低い液をオーバーフローさせて採水する手段を設置し、かつ採水した懸濁質濃度の高い液の少なくとも一部を槽の底部位から円周方向に吐出する手段、オーバーフローにより採水した液の少なくとも一部を槽の上部位から円周方向に吐出する手段、またはこれら両手段を設けて槽中を旋回流とする懸濁液分離装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−１５４６９０号公報
【特許文献２】特開平４−３４６８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述のジャーテストはバッチ式であり、連続的に処理水を得ることができない。また、試験時間が２０分程度必要のため、分級するまでに時間を要するという問題(課題)がある。
【００１３】
前記の特許文献１、２は、微小フロックの分級自体は可能だが、分級するまでに時間を要するという問題(課題)がある。具体的には、特許文献１、２の構成では、分級に２０分ほど要すると見込まれ、凝集剤注入制御のフィードバック補正に十分に対応できない。
【００１４】
本発明は上記実状に鑑み、液体中の微小フロック(固形粒子)を連続的に分級できる液中固形粒子分級装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは上述した目的の達成に向けて、蛇管型もしくは螺旋型の遠心分離機構を備えた微小フロックを分級するための固形粒子分級装置を開発した。
【００１６】
具体的な解決手段として、本発明の液中固形粒子分級装置は、固形粒子を含む液体から前記固形粒子を分級する液中固形粒子分級装置であって、前記固形粒子を含む液体を供給するためのポンプと、前記液体が流入する蛇管型もしくは螺旋型の円状管をもつ遠心分離機構と、前記円状管内においてその中心軸近くの遠心力が強く加わった側の液体と前記中心軸から遠くの遠心力が弱く加わった側の液体と当該両側間の液体とを、前記遠心分離機構の下流で前記遠心力の強弱に対応して、複数に分けて取り出す取水口とを、備えている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、液体中の微小フロック(固形粒子)を連続的に分級できる液中固形粒子分級装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係わる実施形態１の水中固形粒子分級装置を上から見た構成図である。
【図２】実施形態１の固形粒子分級装置の性能を示す図である。
【図３】実施形態２の複数回同じ流路で遠心分離可能な水中固形粒子分級装置を上方から見た構成図である。
【図４】実施形態３の円管の出口流路に分流板を設置した水中固形粒子分級装置を上方から見た構成図である。
【図５】(ａ)は実施形態４の水中固形粒子分級装置の正面視でＵ字型の遠心分離機構を上方から見た構成図(上面図)であり、(ｂ)は(ａ)のＡ方向矢視図(正面図)である。
【図６】実施形態５の水中固形粒子分級装置の２重螺旋型の遠心分離機構を上方から見た構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の水中固形粒子分級装置の実施形態について添付図面を参照して説明する。
本実施形態の水中固形粒子分級装置は、試料水(液体)に含まれる濁質分が凝集したフロック(固形粒子)を蛇管型もしくは螺旋型の遠心分離機構にて遠心分離して、任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水を採水することを特徴とする。
【００２０】
＜＜実施形態１＞＞
図１は、本発明に係わる実施形態１の水中固形粒子分級装置を上から見た構成図である。
実施形態１の水中固形粒子分級装置Ｓは、原水の試料水ｗを供給するためのポンプ２０と、供給される試料水ｗ中のフロック(固形粒子)を分級する遠心分離機構１０とを備え構成される。
【００２１】
遠心分離機構１０は、円管１０ｅ内を円状(図１の矢印α１)に流れる試料水ｗに含まれる固形粒子を円運動による遠心力によって分級する。なお、図１では円管１０ｅの箇所を破線にて強調して示している。ちなみに、符号１０ｏの部材は後記の実施形態３で説明する。
遠心分離機構１０を構成する蛇管型もしくは螺旋型の円管１０ｅの内径は、８ｍｍ以上が望ましい。
【００２２】
何故なら、円管１０ｅの内径が８ｍｍ以下の場合には流れの断面積が小さ過ぎ、上澄み液(固形粒子が比較的除去された水)と分離した固形粒子を多く含む高懸濁液とを、それぞれ分級処理水流出口１１および高懸濁液流出口１２から取り出すことが困難となるからである。
【００２３】
これに対して、円管１０ｅの内径が大きい場合、蛇管もしくは螺旋とする最小半径が増大して大きな設置スペースが必要となること、内径の小さい円管１０ｅと比較して同じ流速で流す場合の必要流量が増加することなどから、円管１０ｅの内径は２０ｍｍ以内とするのが望ましい。
従って、遠心分離機構１０の円管１０ｅの内径は、８〜２０ｍｍの範囲が望ましいが、目的に応じて８〜２０ｍｍより大きくても小さくても構わない。
【００２４】
本実施形態１では、一例としてポンプ２０による試料水ｗの流量を１５Ｌ(リットル)／ｍｉｎ(分)、円管１０ｅの内径を１２ｍｍとする。
蛇管もしくは螺旋管の円管１０ｅ内の流体の平均流速ｖは、流速＝流量／流路断面積の関係から、以下の式（１）より演算される。
ｖ＝ｑ／（π・（Ｄ／２）２）          （１）
【００２５】
ここで、Ｄは円管１０ｅの内径（ｍ）であり、ｑは試料水ｗの流量（ｍ３／ｓ）である。
本実施形態１の条件では、円管１０ｅ内を円状に流れる流体(試料水ｗ)の円運動の接線方向の流速ｖは２．２ｍ／ｓである。
試料水ｗに含まれる固形粒子に加わる遠心加速度ａは、その移動速度(流速ｖ)の２乗に比例する。遠心加速度ａは次の式（２）で演算される。
【００２６】
ａ＝ｖ２／ｒ          （２）
ここで、ｒは円管１０ｅ(円管１０ｅ内の試料水ｗ(固形粒子))までの回転軸Ｏからの距離（ｍ）であり、本実施形態１では０．０８ｍとする。遠心加速度ａは回転軸Ｏからの距離ｒに反比例して増加する、すなわち距離ｒが小さいほど遠心加速度ａが増加する。そのため、回転軸Ｏからの距離ｒが短くなるように遠心分離機構１０の円管１０ｅは設計することが好ましい。
【００２７】
ところで、円管１０ｅ内の液体(試料水ｗ)に加わる遠心加速度ａが重力加速度ｇより小さい場合に、円管１０ｅの延在方向によっては、円管１０ｅ内の液体の移動が阻害される怖れがある。そこで、重力加速度ｇ以上の遠心加速度ａを円管１０ｅ内の試料水ｗに付与することとしている。
【００２８】
すなわち、円管１０ｅ内の流体(試料水ｗ)の円移動(円運動)の接線方向の流速ｖと回転軸Ｏからの距離ｒが次の関係を満足するようにしている。
(ａ＝)ｖ２／ｒ＞９．８ｍ／ｓ２（ｇ：重力加速度）        （３）
本実施形態１の条件では、流体(試料水ｗ)の流速ｖが２．２ｍ／ｓであり、ｒが０．０８ｍであることから、式（２）より遠心加速度ａは、６０．５ｍ／ｓ２である。そのため、式（３）の関係は満足している。
【００２９】
また、固形粒子の体積をＶとし、ｄを固形粒子の粒径とすると、
Ｖ＝(４／３)・π・(ｄ／２)３          （４）
の関係がある。
なお、固形粒子に加わる遠心力ｆは、固形粒子の質量をｍとすると、式(２)の遠心加速度ａを用いて、
ｆ(遠心力)＝ｍ・ａ          (５)
と表される。
【００３０】
固形粒子の質量ｍは、その体積Ｖに比例するので、式(２)、(４)より
ｆ(遠心力)∝ｄ３／ｒ          (６)
の関係がある。
式(６)より、固形粒子に加わる遠心力ｆは、円管１０ｅの回転軸Ｏからの距離ｒに反比例し、固形粒子の径ｄの３乗(ｄ３)に比例する。
【００３１】
このように、固形粒子に加わる遠心力ｆは、距離ｒに反比例するので距離ｒが小さいほど遠心力ｆが大きい。すなわち、円管１０ｅ内の内側ほど遠心力ｆが大きい。一方、距離ｒが大きいほど遠心力ｆが小さい。すなわち、円管１０ｅ内の外側ほど遠心力ｆが小さい。
また、固形粒子に加わる遠心力ｆは、固形粒子の径ｄの３乗(ｄ３)に比例するので、固形粒子の径ｄが大きい程、著しく増加する。
【００３２】
結果として、試料水ｗに含まれる固形粒子は、遠心分離機構１０の円管１０ｅを、図１の矢印α１のように進行(円運動)する過程において、円運動による遠心力ｆを受けて、相対的に質量ｍの小さいものは、式(５)より小さい力を受けるので、回転軸Ｏに近い側(回転軸Ｏからの距離ｒが小さい側)に移動する一方、質量ｍの大きいものは、式(５)より大きい力を受けるので、回転軸Ｏに遠い側(回転軸Ｏからの距離ｒが大きい側)に移動し、分級される。
【００３３】
換言すれば、粒径ｄの大きな固形粒子ほど質量ｍが大きいので式（５）より大きな遠心力ｆを受けて、回転軸Ｏを基準とした円管１０ｅ内の外側(回転軸Ｏからの距離ｒが大きい側)、つまり遠心力が弱く加わる側へ移動する。一方、粒径ｄの小さな固形粒子ほど質量ｍが小さいので式（５）より小さな遠心力ｆを受けて、回転軸Ｏを基準とした円管１０ｅ内の内側(回転軸Ｏからの距離ｒが小さい側)、つまり遠心力が強く加わる側へ移動する。
【００３４】
固形粒子の遠心力ｆが加わる方向への移動速度（ｗ）は、次のストークスの式（７）で演算することが可能である。
ｗ＝ａ・（（ρｐ−ρｆ）／（１８・μ））・ｄ２        （７）
ここで、ａは遠心加速度であり、ρｐは固形粒子の密度（ｋｇ／ｍ３）、ρｆは流体(試料水ｗ)の密度（ｋｇ／ｍ３）、μは流体(試料水ｗ)の粘度（Ｐａ・ｓ）、ｄは固形粒子の粒径（ｍ）である。
【００３５】
式（７）より、固形粒子の径ｄが小さいほど、遠心力ｆが加わる方向への移動速度ｗが小さく、遠心力ｆが加わる方向への移動距離が小さい。一方、固形粒子の径ｄが大きいほど、遠心力ｆが加わる方向への移動速度ｗが大きく、遠心力ｆが加わる方向への移動距離が大きい関係にある。
【００３６】
分級したい固形粒子の粒径を１５μｍ、流体(試料水ｗ)の密度１０００ｋｇ／ｍ３、固形粒子の密度１６００ｋｇ／ｍ３、流体(試料水ｗ)の粘度１．０×１０−３Ｐａ・ｓとすると、式（７）を用いて、本実施形態１の条件では、固形粒子の遠心力ｆが加わる方向への移動速度（ｗ）は２７．２ｍｍ／ｍｉｎ(分)となる。
【００３７】
試料水ｗの遠心分離機構１０内の滞留時間が１ｍｉｎであるとすると、回転軸Ｏを基準とした円管１０ｅの内側、つまり遠心力が強くかかる側(回転軸Ｏからの距離ｒが小さい側)から２７．２ｍｍの位置の液には、主に、粒径ｄが１５μｍ以下の固形粒子しか含まれていないことを意味する。これは、試料水ｗに含まれる全ての固形粒子が、円管１０ｅでの流れの開始時に、回転軸Ｏを基準とした円管１０ｅの内側、つまり遠心力が強くかかる側(回転軸Ｏからの距離ｒが小さい側)に存在しているとモデル化した場合である。
【００３８】
また、式（７）から、試料水ｗに含まれる固形粒子の遠心力が加わる方向への移動速度ｗは、遠心加速度ａと、固形粒子の粒径ｄの２乗とに比例する。そのため、粒径ｄの大きさと、式（２）より遠心加速度ａを決定する流速ｖとで、遠心力が加わる方向の移動速度ｗが決定される。そして、移動速度ｗに移動時間を乗じて固形粒子の遠心力ｆが加わる方向への移動距離が求まる。
【００３９】
式（２）より、遠心分離機構１０の円管１０ｅ内の内側のｒが小さい側の流体(試料水ｗ)には遠心加速度ａが大きく大きな遠心力ｆが加わる一方、円管１０ｅ内の外側のｒが大きい側の流体(試料水ｗ)には遠心加速度ａが小さく小さな遠心力ｆが加わる。
従って、粒径ｄが大きい固形粒子は移動距離が大きいので、円管１０ｅ内の外側の遠心力ｆが小さく加わる側に移動する一方、粒径ｄが小さい固形粒子は移動距離が小さいので、円管１０ｅ内の内側の遠心力ｆが大きく加わる側に残存することになる。
【００４０】
以上から、試料水ｗの流速ｖ(式（２）参照)と、固形粒子が遠心力ｆを受けて移動する円管１０ｅ内の外側と内側との位置に対応する円管１０ｅから流出後の取水の位置とを調整することで、任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水を得ることが可能となる。
【００４１】
これにより、遠心分離機構１０の出口に設けられる直線状の出口流路１０ｏの出口端には、遠心力が強く加わる側(円管１０ｅ内の内側のｒが小さい側に対応)から遠心力が弱く加わる側(円管１０ｅ内の外側のｒが大きい側に対応)へ、順に分級処理水流出口１１、高懸濁液流出口１２が取り付けられる。
【００４２】
本実施形態１で使用している円管１０ｅの内径は１２ｍｍであるため、少なくとも分級処理水流出口１１および高懸濁液流出口１２の幅、すなわち分級処理水流出口１１、高懸濁液流出口１２の遠心力が加わる方向の寸法ｓ１、ｓ２は合わせて１２ｍｍ以内にならなければならない。
【００４３】
本実施形態１の分級処理水流出口１１の幅の寸法ｓ１を３ｍｍとすると、分級処理水流出口１１で取水する試料水ｗの遠心分離機構１０内の滞留時間は、前記したように、遠心力が加わる方向に１分間で２７．２ｍｍ移動することから、少なくとも６．６ｓ(秒)であればよい。このとき、流体の流速ｖが２．２ｍ／ｓであるから、流速ｖの２．２ｍ／ｓに６．６ｓを乗じて、円管１０ｅの必要長さは１４．６ｍとなる。
【００４４】
以上の構成の固形粒子分級装置Ｓを用いることで、本発明の目的、すなわち任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水(液体)を採水(採取)することができる。
図２は、実施形態１の水中固形粒子分級装置の性能を示す図である。
【００４５】
ジャーテストと比較した場合、重力加速度ｇを用いるジャーテストと、遠心加速度ａを用いる固形粒子分級装置Ｓとでは固形粒子にかかる加速度が、重力加速度ｇの９．８ｍ／ｓ２に対して、遠心加速度ａが６０．５ｍ／ｓ２で約６倍（６０．５／９．８）であり、大きく異なる。
【００４６】
そのため、実施形態１の固形粒子分級装置Ｓでは、重力加速度ｇの作用で上澄み液を採水する方法のジャーテストに比較し、加える加速度の違いから６倍速く分級することが可能となる。
従って、沈殿池出口の濁度に影響を与える微小フロックを、凝集剤注入制御の周期よりも短時間で連続的に分級することが可能となる。これにより、凝集剤注入後の微小フロックを指標とする凝集剤注入制御方法が実現できる。
【００４７】
＜＜実施形態２＞＞
図３は、実施形態２の複数回同じ流路で遠心分離可能な水中固形粒子分級装置を上方から見た構成図である。
実施形態２の水中固形粒子分級装置２Ｓは、例えば実施形態１の１４．６ｍの円管１０ｅにて分級するのが容易でない場合、すなわち分級に使用する距離をとりたい場合、複数回同じ流路(管路)で遠心分離をするものである。
【００４８】
実施形態２の水中固形粒子分級装置２Ｓは、遠心分離機構１０の円管１０ｅの入口に、式（２）より遠心力が強く加わる側、すなわち回転軸Ｏからの距離ｒが短い側から、遠心力が弱く加わる側の距離ｒが長い側に対応して、試料水流入口１３、中間液流入口１４、および高懸濁液流入口１５が取り付けられる。
【００４９】
遠心分離機構１０の円管１０ｅの出口には、遠心力が強く加わる側、すなわち回転軸Ｏからの距離ｒが短い側から長い側へ、分級処理水流出口１１、中間液流出口１６、および高懸濁液流出口１２が取り付けられる。
ポンプ２０は、水中固形粒子分級装置２Ｓで分級する試料水ｗを試料水流入口１３から遠心分離機構１０の円管１０ｅに送水する。
【００５０】
ポンプ３０は、分級処理水流出口１１から流出する分級された最も短い粒径の固形粒子を含む試料水ｗのうちの一部を再び中間液流入口１４から遠心分離機構１０の円管１０ｅに送水する。分級処理水流出口１１から流出するその他の最も短い粒径の固形粒子を含む試料水ｗは、採水口１７から採水される。
【００５１】
ポンプ４０は、中間液流出口１６から流出する分級された中間の長さの粒径の固形粒子を含む試料水ｗを再び中間液流入口１４から遠心分離機構１０の円管１０ｅに向けて送水する。
ポンプ５０は、高懸濁液流出口１２から流出する分級された最も長い粒径の固形粒子を含む試料水ｗの一部を再び高懸濁液流入口１５から遠心分離機構１０の円管１０ｅに送水する。高懸濁液流出口１２から流出するその他の最も長い粒径の固形粒子を含む試料水ｗは、排水口１８から排水される。
【００５２】
次に、水中固形粒子分級装置２Ｓによる分級過程を時間経過に従って説明する。
水中固形粒子分級装置２Ｓで分級される固形粒子を含む試料水ｗは、ポンプ２０により、試料水流入口１３から遠心分離機構１０に流入される。
流入した試料水ｗは、遠心分離機構１０の円管１０ｅ内を、図３の矢印α１のように円状に流れ、試料水ｗに含まれる固形粒子は、回転軸Ｏを中心として外向きに円運動による遠心力ｆが加わる。
【００５３】
前記したように、試料水ｗに含まれる固形粒子は、遠心分離機構１０の円管１０ｅを、図３の矢印α１のように進行する過程において、円運動による遠心力ｆを受けて、質量ｍの小さいものは、式(５)より小さい力を受けるので、相対的に回転軸Ｏに近い側に残存する一方、質量ｍの大きいものは、式(５)より大きい力を受けるので、相対的に回転軸Ｏに遠い側に移動し、分級される。
【００５４】
そして、回転軸Ｏからの距離ｒが短い方から長い方に対応して、それぞれ取り付けられた分級処理水流出口１１、中間液流出口１６、および高懸濁液流出口１２から、分級された固形粒子を含む試料水ｗが流出する。
分級処理水流出口１１は、遠心分離機構１０の円管１０ｅの横断面の最も内側の位置(回転軸Ｏに近くｒが小さい位置)に対応するので、式(５)、(６)より、質量ｍが小さい任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水が通過(流出)する。
【００５５】
この際、分級処理水流出口１１から流出する任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水の一部は、水質計測のため採水口１７から採水される。そして、残りの分級処理水流出口１１から流出する水は、ポンプ３０により再度中間液流入口１４から遠心分離機構１０の円管１０ｅ内に流入する。
【００５６】
固形粒子の粒径ｄは、式(４)により、固形粒子の体積Ｖ、すなわち質量ｍに３乗で影響するので、比較的大きな粒径ｄをもつ固形粒子は質量ｍが大である。円管１０内では、固形粒子を含む試料水ｗの円運動により、質量ｍの違いにより固形粒子が遠心分離される。
よって、高懸濁液流出口１２は、遠心分離機構１０の円管１０ｅの横断面の最も外側の位置(回転軸Ｏに遠いｒが大きい位置)に対応するので、式(５)、(６)より、遠心分離した質量ｍが大きい比較的大きな粒径ｄをもつ固形粒子を多く含む水が通過(流出)する。
【００５７】
高懸濁液流出口１２から流出する比較的大きな粒径ｄ(大きな質量ｍ)をもつ固形粒子を多く含む水の一部は、排泥のため排水口１８から排水される。残りの高懸濁液流出口１２から流出する試料水ｗは、ポンプ５０により再度、高懸濁液流入口１５から遠心分離機構１０の円管１０ｅ内に流入する。
【００５８】
中間液流出口１６は、遠心分離機構１０の円管１０ｅの横断面の外側と内側との中間の位置に対応するので、任意の粒径以下の固形粒子を多く含む試料水ｗ以外、かつ、遠心分離した比較的大きな粒径ｄ(大きな質量ｍ)をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗ以外の試料水ｗ、すなわち中間液が通過(流出)する。この際、中間液は、ポンプ４０により再度、中間液注入口１４から遠心分離機構１０の円管１０ｅ内に流入する。
【００５９】
以上のように、水中固形粒子分級装置２Ｓでは、試料水ｗ(液体)を、円管１０ｅ内を循環させることで、複数回同じ流路で遠心分離することが可能である。そのため、本発明の目的である任意の粒径以下の固形粒子を多く含む水を、分級の精度を上げて採水することができる。
【００６０】
また、循環時に分級後の流路より外側の流路から遠心分離機構１０の円管１０ｅに流入させることで、分級処理水流出口１１から、より粒径の短い固形粒子を多く含む水を、採水口１７から採水することが可能である。
なお、原理が同じならば複数回同じ流路で遠心分離をする方法は、実施形態２で例示した方法に限定されない。
【００６１】
＜＜実施形態３＞＞
図１に示す実施形態１の遠心分離機構１においては、遠心分離機構１０の円管１０ｅで分級された試料水ｗは、直線状の出口流路１０ｏに流出する。直線状の出口流路１０ｏにおいては、円管１０ｅで分級された試料が直線移動するため、遠心力を受けることなく、進行方向の圧力と下方への重力とが主に加わる。そのため、分級された遠心力が強く加わった側の試料水ｗと弱く加わった側の試料水ｗとが出口流路１０ｏにおいて混合する可能性がある。
【００６２】
図４は、実施形態３の円管の出口流路に分流板を設置した水中固形粒子分級装置を上方から見た構成図である。
そこで、実施形態３の水中固形粒子分級装置３Ｓは、実施形態１における遠心分離機構１０の円管１０ｅの出口流路１０ｏにおいて、遠心力が強く加わった側の試料水ｗと弱く加わった側の試料水ｗとを混合しないよう分流するために、分流板１９を設けている。
【００６３】
水中固形粒子分級装置３Ｓでは、円管１０ｅの出口流路１０ｏに接合された円管１０ｅの内側に対応する分級処理水流出口１１および円管１０ｅの外側に対応する高懸濁液流出口１２の間の前側(上流側)に分流板１９を設置している。
【００６４】
これにより、出口流路１０ｏの出口付近で、円管１０ｅの内側を流れる比較的小さな粒径をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗと、円管１０ｅの外側を流れる遠心分離した比較的大きな粒径をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗとが、分流板１９により分離されることになり、両者が混合されない。
【００６５】
分流板１９の厚みは、分級された試料水ｗの流路(出口流路１０ｏ)に設けられるので、流路を妨げないようにできるだけ薄い方が望ましい。また、分流板１９の円管１０ｅに近い方に配置される先端部は、任意の粒径以下の比較的小さな粒径をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗと比較的大きな粒径をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗとの分離を行うため、抵抗とならないように鋭端となっていることが望ましい。
【００６６】
図４では、分流板１９を遠心分離機構１０の円管１０ｅの出口に接続される直線状の出口流路１０ｏの下流側に配置する場合を例示したが、分流板１９を遠心分離が作用している円管１０ｅまたはその近傍まで延設(延長)してもよい。
【００６７】
遠心分離が作用している部分またはその近傍まで分流板１９を延長(延設)することで、直線状の出口流路１０ｏ内の下流に分流板１９を配置した場合よりも、円管１０ｅの内側を流れた任意の粒径以下の比較的小さな粒径をもつ固形粒子を多く含む試料水ｗと、円管１０ｅの外側を流れた比較的大きな粒径をもつ遠心分離した固形粒子を多く含む試料水ｗとが、混合されるのをさらに抑制することが可能である。
【００６８】
そのため、実施形態３は、分流板１９を設けることにより、実施形態１と比較して遠心分離機構１０の分級性能が向上する。
なお、実施形態３で説明した分流板１９は、実施形態１の構成に適用した場合を例示したが、実施形態２の構成に適用してもよく、或いは、その他の構成にも適用可能である。
【００６９】
＜＜実施形態４＞＞
図５(ａ)は、実施形態４の水中固形粒子分級装置の正面視でＵ字型の遠心分離機構を上方から見た構成図(上面図)であり、図５(ｂ)は、図５(ａ)のＡ方向矢視図(正面図)である。
実施形態４の水中固形粒子分級装置４Ｓは、遠心分離機構１０の形状を、正面視で図５(ｂ)に示すように、第１円管１０ｅ１、第２円管１０ｅ２を並置(並設)してＵ字型としたものである。
【００７０】
ポンプ２０から送出される試料水ｗは、図５の矢印α４１のように第１円管１０ｅ１内を円状に流れた後、図５の矢印α４２のように第１円管１０ｅ１から第２円管１０ｅ２に向け流れ、第２円管１０ｅ２内に流入する。そして、図５の矢印α４３のように第２円管１０ｅ２内を円状に流れ、分級処理水流出口１１、高懸濁液流出口１２から流出する。
固形粒子を含む試料水ｗは、第１円管１０ｅ１、第２円管１０ｅ２内を円状に流れることで、前記したように、遠心力を受けて分級される。
【００７１】
そして、第１・第２円管１０ｅ１、１０ｅ２の各横断面の内側に対応する分級処理水流出口１１から短い粒径の固形粒子を含む試料水ｗが流出し、採水される。また、第１・第２円管１０ｅ１、１０ｅ２の各横断面の外側に対応する高懸濁液流出口１２から長い粒径の固形粒子を含む試料水ｗが流出し、排水される。
【００７２】
遠心分離機構１０の形状を、正面視でＵ字型(図５(ｂ)参照)とすることで、実施形態１と比較して、遠心分離機構１０のアスペクト比(縦横比)を下げることが可能となり、コンパクト化が図れる。
なお、図５では、遠心分離機構１０を２つ並設(並置)し正面視でＵ字型とした場合を例示したが、３つ以上並設する構成とすることも可能である。
【００７３】
＜＜実施形態５＞＞
図６は、実施形態５の水中固形粒子分級装置の２重螺旋型の遠心分離機構を上方から見た構成図である。
実施形態５の水中固形粒子分級装置５Ｓは、遠心分離機構１０の形状を２重螺旋型(渦巻き型)とした場合である。
【００７４】
水中固形粒子分級装置５Ｓは、遠心分離機構１０を２重螺旋型(渦巻き型)の内側の第１円管１０Ｕ１と、外側の第２円管１０Ｕ２としている。
水中固形粒子分級装置Ｓでは、試料水ｗがポンプ２０により遠心分離機構１０に供給され、第１円管１０Ｕ１内を円状に図６の矢印α５１のように流れた後、第２円管１０Ｕ２を円状に図６の矢印α５２のように流れ、分級処理水流出口１１、高懸濁液流出口１２から流出する。
【００７５】
固形粒子を含む試料水ｗは、第１円管１０Ｕ１、第２円管１０Ｕ２内をそれぞれ円状に流れることで、前記した如く、遠心力を受けて分級される。
そして、第１・第２円管１０Ｕ１、１０Ｕ２の横断面内側に対応する分級処理水流出口１１から比較的短い粒径の固形粒子を含む試料水ｗが流出し、採水される。また、第１・第２円管１０Ｕ１、１０Ｕ２の横断面外側に対応する高懸濁液流出口１２から比較的長い粒径の固形粒子を含む試料水ｗが流出し、排水される。
【００７６】
実施形態５によれば、遠心分離機構１０を２重螺旋型(渦巻き型)とすることで、実施形態１〜３と比較して、遠心分離機構１０のコンパクト化が可能となる。
なお、図６では、遠心分離機構１０を２重螺旋型(渦巻き型)とする場合を例示したが、３以上の多重螺旋型(多重渦巻き型)の構成とすることも可能である。
【００７７】
なお、前記実施形態１〜５では、固形粒子(フロック)を含む試料水ｗを例示して説明したが、固形粒子を含む液体であればよく、本発明が適用される液体は特に限定されない。
また、前記実施形態１〜５では、各構成を個別に説明したが、実施形態１〜５の構成を適宜任意に組み合わせて構成してもよい。これにより、組み合わせた効果を奏する。
【００７８】
以上、本発明の様々な実施形態を述べたが、その説明は限定的というよりは典型的であることを意図したものである。そして、本発明の範囲内でより多くの形態と実施が可能であることは、勿論である。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内で様々な修正と変更が包含される。
【符号の説明】
【００７９】
１０    遠心分離機構
１０ｅ  円管(円状管)
１０ｅ１  第１円管(並設した円状管)
１０ｅ２  第２円管(並設した円状管)
１０Ｕ１  第１円管(渦巻き状の円状管)
１０Ｕ２  第２円管 (渦巻き状の円状管)
１１    分級処理水流出口(取水口、分級後の流路)
１２    高懸濁液流出口(取水口)
１３    試料水流入口(遠心力が強く加わる側の流入口)
１４    中間液流入口(分級後の流路より外側の流路)
１５    高懸濁液流入口(遠心力が弱く加わる側の流入口)
１６    中間液流出口(取水口)
１７    採水口(採取手段)
１８    排水口(排出手段)
１９    分流板(分流部材)
２０    ポンプ
３０    ポンプ(循環手段)
４０    ポンプ(循環手段)
５０    ポンプ(循環手段)
ａ      遠心加速度
ｇ      重力加速度
Ｏ      円状管の回転軸(中心軸)
ｒ      回転軸からの距離
Ｓ      水中固形粒子分級装置(液中固形粒子分級装置)
ｖ      円状管内の円状の流れの接線方向の液体の流速
ｗ      試料水(液体)
【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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【図６】
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