(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低位にある液体源から、該液体源中に吸引口が挿入された揚液管を介し、高位に向けて液体を汲み上げる装置であり、
前記揚液管内を減圧する減圧手段と、
前記液体源の液面より高くかつ減圧下の揚液管内での液体柱自然高さより低い位置において、前記揚液管内へ前記減圧された揚液管内気圧より高い圧力のガスを導入可能なガス導入手段と、を備え、
前記ガス導入手段は、
前記揚液管の上部から、前記揚液管内をその途中まで挿入され、そのガス吐出口が、前記液体源の液面より高く前記液体柱自然高さより低い位置になるよう条件に応じて挿入長が決定されて位置決めされ、前記揚液管内へ前記ガス吐出口からガスを吐出可能な送気管と、
前記送気管へのガス供給をバルブ開放期間に限定して可能とする開閉バルブと、
を有し、
前記送気管から前記揚液管内に導入したガス泡により、前記揚液管内において前記吸引口から連続する液体柱を上下に分断し、前記揚液管内を上昇する該ガス泡により、分断した上側の液体柱を押し上げ、前記液体柱自然高さより高位に液体を汲み上げることを特徴とする減圧揚液装置。
【請求項２】
請求項１に記載の減圧揚液装置において、
前記減圧手段は、真空ポンプであり、
前記送気管は、前記ガス吐出口から前記揚液管の下方に向かってガスを吐出可能であり、
前記ガス泡は、前記バルブにより間欠的に前記揚液管内に導入され、該ガス泡の圧力は、大気圧であることを特徴とする減圧揚液装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、低位にある液体を真空ポンプなどの減圧装置を利用して高位に吸い上げる揚液装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水などの液体を汲み上げるためのシステムでは、従来より簡易な真空ポンプが広く用いられている。図４に示すように、例えば地下などに溜まった水３０を真空ポンプ１４で汲み上げる場合、真空ポンプ１４に連通された揚液管５０の吸引口を地下の水中に挿入して、真空ポンプ１４を駆動する。これにより揚液管５０の吸引口から吸い上げられた水３０が、地上に設置したタンク１６などに汲み上げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、真空ポンプ１４を用いた場合、汲み上げ可能な揚程Ｈｄは、水の場合に約１０ｍが限界である。真空ポンプ１４によって吸揚管５０内を完全に真空にできたとしても、大気圧下（標準大気圧：７６０ｍｍＨｇ＝１０１３．２５ｈＰａ≒１０．３３ｔｆ／ｍ2）において、水面Ｈ０から真空揚液管内に押し上げられる水柱の高さＨｃが約１０ｍだからである。従って、揚程Ｈｄが１０ｍ以上となる場合には、真空ポンプ１４だけで揚液を行うことはできない。このため、１０ｍを超える深所から液体を汲み上げる場合には、吸引部付近の深所に渦巻きポンプや往復ポンプ、ジェットポンプなどを設置して液体を汲み上げる必要があり、装置が大がかりになり、また高価な装置が必要となるという問題があった。
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明は真空ポンプのような減圧手段を用いて長い揚程の揚液を可能とする揚液装置を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、以下のような特徴を有する。
【０００６】
まず、本発明は、低位にある液体源から、該液体源中に吸引口が挿入された揚液管を介し、高位に向けて液体を汲み上げる装置であり、前記揚液管内を減圧する減圧手段と、前記液体源の液面より高くかつ減圧下の揚液管内での液体柱自然高さより低い位置において、前記揚液管内へ前記減圧された揚液管内気圧より高い圧力のガスを導入可能なガス導入手段と、を備え、前記ガス導入手段は、前記揚液管の上部から、前記揚液管内をその途中まで挿入され、そのガス吐出口が、前記液体源の液面より高く前記液体柱自然高さより低い位置になるよう条件に応じて挿入長が決定されて位置決めされ、前記揚液管内へ前記ガス吐出口からガスを吐出可能な送気管と、前記送気管へのガス供給をバルブ開放期間に限定して可能とする開閉バルブと、を有する。
【０００７】
さらに、本発明では、前記送気管から前記揚液管内に導入したガス泡により、前記揚液管内において前記吸引口から連続する液体柱を上下に分断し、前記揚液管内を上昇する該ガス泡により、分断した上側の液体柱を押し上げ、前記液体柱自然高さより高位に液体を汲み上げる。
【０００８】
ここで、前記送気管は、前記ガス吐出口から前記揚液管の下方に向かってガスを吐出可能である。また、導入されるガス圧は、減圧手段によって減圧された揚液管内の圧力より高い圧力のガスであればよい。例えば、揚液管内に導入されるガスが空気、窒素などの場合に、正圧とは、具体的には大気圧又は大気圧以上が適用される。
【０００９】
減圧された揚液管内にこれより高い圧力のガスを導入することで、揚液管内を上昇するガス泡が大きくなって揚液管の内径を占めるようになると、揚液管内の液体柱が分断される。このため、分断された液体柱の上側の液体がガス泡によって押し上げられて、高位、つまり減圧揚液管内での液体柱自然高さ以上にまで液体を汲み上げることが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いてこの発明の好適な実施の形態（以下実施形態という）について説明する。
【００１１】
図１は、この発明に係る減圧揚液装置の構成を概念的に示している。この装置の特徴は、真空ポンプなどの減圧手段を用い、揚程Ｈｄが真空（減圧）揚液管内での液体柱の自然高さＨｃを超える条件の揚液を実行することである。
【００１２】
この装置は、減圧手段である真空ポンプ１４と、この真空ポンプ１４に連通され、その下端の吸引口１０ａが例えば地下に溜まった水等の液体源３０中に挿入される揚液管１０を備える。また、揚液管１０には、液面Ｈ０と真空揚液管内の液体柱の自然高さＨｃ（ｃ点）との間の位置ｘ（高さＨｘ）に、空気などのガスを導入するガス導入手段２０として給気バルブが取り付けられている。
【００１３】
液体源３０に揚液管１０の吸引口１０ａを挿入し、真空ポンプ１４を駆動すると、この真空ポンプ１４に連通された水封式のタンク１６内と揚液管１０内の空気が排気されて減圧される。管内が減圧されて所定の負圧となると、管内の液面が上昇し、高さＨｃ（液体が水の場合に約１０ｍ）付近まで到達する。
【００１４】
ここで、給気バルブを短期間だけ開放して、ｘ点で揚液管１０内に正圧ガスとして例えば大気圧の空気を導入すると、導入されたガス泡によって揚液管１０内の高さＨｃの液体柱が、高さＨｘ付近で上下に分断される。高さＨｘにおける揚液管内の圧力とその位置でのガス泡の圧力との圧力差と、ガス泡の受ける浮力によって、ガス泡が管内を上昇するため、一旦ガス泡によって液体柱が分断されると、その上側のＨｃ未満の長さの液体柱はガス泡によって上方に向けて勢い良く押し上げられ、液体が高さＨｃ（真空管内での自然液面ｃ）を超える高さＨｄまで汲み上げられ、タンク１６内に溜まることとなる。
【００１５】
このように真空ポンプ１４を駆動した状態で、給気バルブの開閉を繰り返せば、負圧となった揚液管１０内に間欠的にガス泡が導入され、これにより管内で高さＨｃの液体柱が順次分断され、Ｈｃを超える高さにまで液体が汲み上げられ、揚程Ｈｄが真空管内の液体柱自然高さＨｃを超える揚液装置となる。
【００１６】
図２は、本発明に係る減圧揚液装置の他の構成を示している。図１と同様に、揚液管１０には真空ポンプ１４が連通されており、揚液管１０の吸引口１０ａは低位にある液体源３０内に挿入可能となっている。図１と異なる点は、揚液管１０の液体源水位Ｈ０から真空管内での液体柱自然高さＨｃまでの間の位置にガスを導入するガス導入手段２０の構成である。
【００１７】
図２において、ガス導入手段２０は、揚液管１０の途中まで挿入された送気管２２と、この送気管２２から揚液管内へガスを間欠的に吐出するために、ｏｎ−ｏｆｆタイマ２６によって動作タイミングが制御される開閉バルブ２４を備える。揚液管１０内に挿入された送気管２２の下端はガス吐出口を構成するが、この吐出口が、液体源３０の液面Ｈ０より高く、真空管内での液体柱の高さＨｃより低い位置ａになるように揚液管１０に対して送気管２２が位置決め固定されている。なお、図２の構成において、送気管２２は揚液管１０内に一本挿入されているが、複数本挿入されていてもよく、また一本の送気管２２に複数のガス吐出口が設けられている構成も採用可能である。いずれの場合にも、送気管２２のガス吐出口は、水面Ｈ０より高く、真空管内での液体柱自然高さＨｃより低い位置に設定する必要がある。
【００１８】
揚液管１０と真空ポンプ１４との間には、真空ポンプ１４に連通されている水封式のタンク１６が設けられており、このタンク１６と揚液管１０との間の管路に、管路の開閉を行う管路バルブ１２が設けられている。なお、このバルブ１２は減圧下での自然液体面以上への揚液を実行するために不可欠な部材ではなく、省略する事もできる。
【００１９】
次に、動作について説明する。まず、図１と同様に揚液管１０の吸引口１０ａを低位にある液体源３０中に挿入し、管路バルブ１２及び開閉バルブ２４を閉じて真空ポンプ１４を駆動する。タンク１６内の空気が排気されて圧力が低下し、所定の負圧で一定になった後、管路バルブ１２を開放する。すると、揚液管１０は、急速に液体源３０から液体を吸い上げ、揚液管１０内に揚水された液体柱の高さが、負圧（真空）管内での液体柱の自然高さに相当するＨｃ程度となる。なお、管路バルブ１２を開放した際、揚液管１０が瞬時に揚液を行うため、送気管２２内は、そのガス吐出口付近までガス（例えば空気）で満たされている。
【００２０】
次に、ｏｎ−ｏｆｆタイマ２６を作動させ、間欠的に開閉バルブ２４を開ける（例えば開放時間０．６３ｓｅｃ、閉鎖期間１０．０１ｓｅｃ）。開閉バルブ２４が開放されると、送気管２２のガス吐出口からガス泡３２が吹き出す。開閉バルブ２４は、短期間しか開放されず、また真空ポンプ１４が動作し続けているため、正圧のガス泡３２が吹き出すことで、一旦上昇した管内の圧力は、開閉バルブ２４が閉鎖するとすぐ所定の負圧に戻る。
【００２１】
吹き出されたガス泡３２は、一旦ａ点から下降するが、ガス泡３２の圧力（正圧）と管内ａ点付近の圧力（負圧）とで圧力差が存在すること、ガス泡３２が浮力を受けること、及びガス泡３２が液体（水）より軽いことから、その後揚液管内を上昇し始める。
【００２２】
揚液管内を上昇するにつれガス泡３２は膨張し、また、間欠的に吐出された複数のガス泡３２が上昇に従って集合することで、やがて揚液管１０の内径を占めるような砲弾型のガス泡（スラグ流）を形成し、このスラグ流が揚液管内を上昇することとなる。
【００２３】
図３は、形成されたスラグ流３４のｂ点付近での状態を示している。このようなスラグ流３４が形成されることで、ガス泡３２が吐出される前に高さＨｃであった液体柱は、発生したスラグ流３４によって上下に分断される。
【００２４】
減圧状態で管内における液体柱の採りうる最大の高さがほぼＨｃであり、上記スラグ流３４によってこの液体柱が途中で分断されるため、分断された液体柱の上側の長さは、例えばｂ点でスラグ流３４が発生したとすると、”Ｈｃ−Ｈｂ”となる。従って、この”Ｈｃ−Ｈｂ”の長さの水柱は、負圧状態の揚液管内を上昇することが可能となる。さらに、揚液管１０内は上に行くほど真空ポンプ１４に近づき圧力が低くなるため、スラグ流３４は管内を上昇するにつれ、膨張すると共にその上端における上昇速度が速くなる。
【００２５】
このため、一旦スラグ流３４が形成されて管内の液体柱が分断されると、分断された上側の液体は、スラグ流３４によって上方に勢い良く押し上げられることとなる。
【００２６】
従って、結果として、低位にある液体源３０から高さＨｃより高い位置Ｈｄまで液体を汲み上げて、タンク１６に貯めることが可能となり、真空ポンプ１４を用い、揚程Ｈｄ（＞Ｈｃ）の液体の間欠的な汲み上げが行われる。なお、本実施形態の装置において、汲み上げる液体に固体が混ざっている場合にも適用可能である。
【００２７】
【実施例】
図２に示す装置を用いて行った揚水実験の結果を以下実施例として示す。本実施例において、汲み上げたのは水であり、揚程Ｈｄは１１．３ｍ、減圧揚液管内での液体柱自然高さＨｃは９．８２ｍである。また、送気管２２のガス吐出口の高さＨａは、水面Ｈ０に対して２．５ｍに設定した。揚液管１０には、内径φ1＝２４．６ｍｍ、外径φ2＝２９．７ｍｍの硬質のサクションパイプを用い、送気管２２には内径φ1＝９．４ｍｍ、外径φ2＝１１．２ｍｍの軟質ビニルパイプを用いた。但し、硬質のパイプを用いてもよい。
【００２８】
送気管２２の開閉バルブ２４には、電磁バルブを用い、この電磁バルブをｏｎ−ｏｆｆタイマ２６によって自動的に開閉制御した。また、電磁バルブの開放時間は、０．６３ｓｅｃ、閉鎖時間は１０．０１ｓｅｃに設定した。
【００２９】
真空ポンプ１４としては、送気量５０リットル／ｍｉｎ、達成圧力７．５×１０-4ｍｍＨｇ（１ｍｍＨｇ≒１３３ｋＰａ）、消費電力２００Ｗの装置を用いた。なお、タンク１６には、硬質のサクションパイプ（内径φ1＝１００．６ｍｍ、外径φ2＝１１３．２ｍｍ）を用いた。但し、これには限られない。
【００３０】
低位に配置された水源３０に揚液管１０の吸引口１０ａを挿入し、管路バルブ１２及び送気管２２の開閉バルブ２４を閉鎖した状態で真空ポンプ１４を駆動し、タンク１６内の圧力がＰｏ＝−９．９３ｔｆ／ｍ2（−９７．３１ｋＰａ：１ｔｆ／ｍ2＝９．８ｋＰａ）と一定になった後、管路バルブ１２を開放する。これにより揚液管１０内の高さＨｃまで瞬時に水面が上昇する。なお、瞬時揚水のため、送気管２２は、ａ点付近まで空気で満たされている。この後、ｏｎ−ｏｆｆタイマ２６を動作させて、揚液管１０内に空気を間欠的に導入し、気泡の挙動とタンク１６に蓄えられた揚水量を測定した。なお、揚水実験時、気圧は９７７．６ｈＰａ、気温４．９℃、水温１３．３℃であった。
【００３１】
送気管２２の開閉バルブ（電磁バルブ）２４の開閉の繰り返し（開放時間０．６３ｓｅｃ、閉鎖期間１０．０１ｓｅｃ）に伴って、タンク１６内の圧力は初期値Ｐｏ＝−９．９３ｔｆ／ｍ2から、開閉回数Ｎ＝２０回（経過時間ｔ＝３．５５ｍｉｎ）では、Ｐｏ＝−９．５５ｔｆ／ｍ2に、開閉回数Ｎ＝４０回（経過時間ｔ＝７．１ｍｉｎ）では、Ｐｏ＝−９．４０ｔｆ／ｍ2となり、真空度は多少低下したが、その後はＰｏ＝−９．４０ｔｆ／ｍ2となり、この値が維持された。
【００３２】
一回の送気管開閉バルブ２４の開放により、送気管２２から吹き出された気泡３２は、ａ点（高さ２．５ｍ地点）から高さ１．７ｍ〜２．１ｍ程度の地点まで約５０ｃｍ程度下降したが、その後、揚液管１０を上昇した。また、上昇時に気泡３２は膨張し、かつ複数の気泡３２が集合して図３のようなスラグ流３４を形成し、これにより揚液管１０内の高さＨｃの水柱がＨｃより短い長さに分断され、スラグ流３４は、分断した上側の水を押し上げながら揚液管１０内を上昇した。
【００３３】
スラグ流３４の先端の速度は、水面Ｈ０からの高さが３．０ｍ〜５．５ｍ区間において、Ｖ１＝０．５〜０．６ｍ／ｓｅｃ程度、５．５〜９ｍ付近の区間において、Ｖ２＝０．８〜１．１ｍ／ｓｅｃ程度であった。揚水管１０内の負圧が大きくなるにつれて、この上昇速度は速くなる。図２の装置では、上述したように揚液管１０の上にいくにつれ真空ポンプ１４に近づいて負圧が大きくなるため、スラグ流３４は上昇するにつれてその上昇速度が速くなる。また、スラグ流３４の末端が水面Ｈ０から５．５ｍ（図２のｂ点）を通過するときのスラグ流の長さＬは、２．８ｍ〜４．０ｍ程度とかなり長くなっていた。
【００３４】
以上のような条件で、開閉バルブ２４の開閉回数Ｎ＝７０回（経過時間ｔ＝１２．４１ｍｉｎ）の時点で、高さＨｄ＝１１．３ｍまで上昇し、タンク１６内に溜まった水は、６３．４リットル（５．１１リットル／ｍｉｎ）となった。
【００３５】
以上のように、図２のような揚水装置を用いて１１．３ｍの揚程で、５．１リットル／ｍｉｎの揚水を真空ポンプ１４と送気管によるガス導入によって実現できた。
【００３６】
上記実施例に示した条件の中で、例えば揚液管１０及び送気管２２の断面積、開閉バルブ２４の開閉時間（開放時間及び閉鎖時間）、揚液管１０への送気管２２の挿入長さ（ガス吐出口１０ａの水面Ｈ０からの高さ）等は、揚水条件に応じて調整、変更すればよい。なお、これらの条件は、揚液管１０内で図３に示すようなスラグ流３４が形成されるのに十分な条件を満たしていればよい。このような調整や変更で条件に応じた適切なパワー及び揚液能力を有する減圧揚液装置を実現できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明においては、減圧手段によって揚液管内を減圧すると共に、管内において、低位の水面より高く真空管内での液体柱自然高さより低い位置に、正圧（例えば、大気圧以上）のガス（例えば空気）を間欠的に導入することで、揚液管内で液体柱を汲み上げ可能な長さに分断する。
【００３８】
従って、減圧手段とガス導入手段という簡易な構成によって、真空管内での液体柱の自然高さ以上の揚程において液体を低位から高位に汲み上げることが可能となる。
【００３９】
また、揚液管内に送気管を挿入し、この送気管への給気を制御するバルブを設けることでガス導入手段を構成すれば、揚液管内にガス導入手段の大半が収納されていることになり装置の持ち運びに便利であるとともに、ガス導入手段の破損の可能性が低くなる。さらに揚液管は地下などに延下されて用いられるため十分な強度が要求されるが、送気管は、揚液管内に配置されるため決められた位置でガス吐出ができれば、特別高い強度は要求されず、材料の選択幅が広くなる。従って、減圧揚液装置の製造コスト低減に非常に有利となる。
【００４０】
さらに、本発明では、揚液管の下端である吸引口を低位の液体源中に挿入し、揚液管の途中にガスを導入すれば良いため、減圧手段を高位に配置でき、ガス導入手段についても比較的高い位置に配置すれば良いため、狭く深い場所からも揚液管の先端を挿入して揚液を行うことができる。特に、送気管を揚液管内に挿入し揚液管内に送気管からガスを吐出する構成では揚液管が挿入可能な場所であれば非常に狭い場所であってもそこから液体の汲み上げを行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係る減圧揚液装置の構成を示す概念的な図である。
【図２】  本発明の実施形態に係る減圧揚液装置の他の構成を示す図である。
【図３】  本発明の減圧揚液装置の揚液管内で発生するスラグ流を示す図である。
【図４】  真空ポンプを用いた一般的な揚液装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  揚液管、１０ａ  吸引口、１２  管路バルブ、１４  真空ポンプ（減圧手段）、１６  タンク、２０  ガス導入手段、２２  送気管、２４  開閉バルブ（電磁バルブ）、２６  ｏｎ−ｏｆｆタイマ、３０  液体（水）源、３２  ガス泡、３４  スラグ流。
【図１】
0003805920.tif 000002
【図２】
0003805920.tif 000003
【図３】
0003805920.tif 000004
【図４】
0003805920.tif 000005