(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給水管から導入される筒内の水に、減圧下で超音波振動による空洞現象を生じさせて、水中の溶存気体を捕集脱気するための超音波振動付与装置と、前記筒内の水と気泡を、ポンプにより筒内の上部脱気空間内で、噴射ノズルにより導水筒内の壁面へ噴射衝突させて、噴射水に含まれる気泡を強制的に破裂させる脱気処理を行う膨張脱気循環系とを備えた導水筒と、導水筒で脱気された水を、導水筒の上部開口縁から大気圧以下に減圧された室内へ溢流させながら散水して、一時貯留する減圧貯水タンクと、減圧貯水タンクより下方に配置されたイオン交換樹脂筒と、減圧貯水タンクに蓄えられた水を大気に接触することなくイオン交換樹脂筒に導入する送水手段とを備えたことを特徴とする水処理装置。
【請求項２】
導水筒が上部開口縁から溢流によって減圧貯水タンクに水を導入する溢流手段を有し、減圧貯水タンクが、導水筒の上部開口縁から溢流する水を受け入れて脱気する脱気室と、脱気室の底部から水を導入して気泡を浮上させる第１貯水室と、第１貯水室から水を導入して送水手段に導出する第２貯水室とを備え、これら脱気室と第１および第２貯水室並びに導水筒の各上部空間は互いに連通して減圧室を形成し、減圧室には脱気ガス捕集用の吸気減圧装置が接続されていることを特徴とする請求項１の水処理装置。
【請求項３】
減圧貯水タンクの脱気室内に、導水筒の上部開口縁から溢流する水を散水する散水手段と、散水手段による散水を受けて水を飛散させる散水床とが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の水処理装置。
【請求項４】
上下二段構造の一体型タンクを備え、一体型タンクの上部が減圧貯水タンクに、下部がイオン交換樹脂筒に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水処理装置。
【請求項５】
導水筒の上流に、水に電界を作用させて水中の電解質を電解する電界処理筒を更に備えたことを特徴とす請求項１〜４のいずれかに記載の水処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、上水、中水、あるいは下水を脱気及び軟水化処理するための水処理装置に関し、例えばビルや工場などの給配水設備や浄水設備において真空脱気とイオン交換処理の一体的な組み合わせ処理により水中の揮発性溶存成分および腐食性溶存成分を効果的に除去しつつ軟水化又は純水化するための水処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イオン交換樹脂筒に水を通すことにより炭酸塩硬度を下げて軟水化することは例えばボイラ給水設備などでよく知られている。この場合、イオン交換樹脂筒に導入する水に酸化物が溶解していると、強酸・弱酸性陽イオン交換樹脂の場合は酸化による不可逆膨潤を起こし、また陰イオン交換樹脂の場合は酸化によって交換基が分解したり不可逆膨潤を起こしたりするので、通水に際しては水中に酸化物が溶解あるいは混在していないことを確認しないと、イオン交換樹脂の耐久性を左右する大きな問題を引き起こす恐れがある。例えば、配管のライニングの疵から溶出した鉄イオンや銅イオンが水中の溶存酸素との反応で銹となって混在している場合、それらの触媒的な働きでイオン交換樹脂が酸化されて劣化する。
【０００３】
そこで従来から、通水に酸化物の溶解あるいは混在が認められるような場合、あるいはそれが生じる可能性がある場合には、イオン交換樹脂に通水する前に水に脱スケールおよび腐食防止などの目的で前処理を施すことが常識的に行なわれている。
【０００４】
最も一般的なこの種の前処理は、溶存酸素を除去するための毒性の強いヒドラジンなどの脱酸剤とｐＨを高めるための清缶剤とを配合した薬品を水に投入する薬注方式である。
【０００５】
また、薬注によらない方式として、水中に溶存している酸素・炭酸ガス・遊離塩素などを高真空度の容器内で一定水量ごとに一括脱気するバッチ処理による真空脱気方式も知られており、大量処理のためにエジェクターとサイクロンを組み合わせた多段連続真空脱気方式も知られている。
【０００６】
また、この他にも、例えば特公平２−１１３１９号、特公平２−１２６４０号あるいは特公平６−３８９５９号公報には、静電場または振動電場を与えるタンク中で水中のミネラル成分をイオン解離させて浮遊スケールとして析出除去する際にタンク内を減圧して脱気することが教示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
薬注方式では、脱酸剤の有毒性の問題は勿論、イオン交換樹脂筒の上流で薬注を行なうと、その分だけ水中の不純物が増加するのでイオン交換樹脂にとっては負荷の増加となるばかりでなく自然と薬注量が増加する傾向があり、適正な薬品投入量の監視には管理面で困難を伴うことや、薬品使用量がかさむなどの諸問題があるので、薬剤使用に付加価値が見込まれる厳正に管理された工場などでの用途以外には一般的ではない。
【０００８】
真空脱気方式については、例えば生活給水の水処理やビル等での赤水対策には真空の取扱が難しいため未だ広く普及してはいないが、比較的容易に扱えるのはバッチ処理方式の真空脱気装置である。しかしながら、バッチ処理方式の真空脱気装置は、処理が非連続であるので処理量が限られ、多量の水を処理する必要がある場合には大規模な設備としなければならず、設備維持費用が多額となるので一般的ではない。
【０００９】
一方、例えば食品工場などのように連続多量処理が要求される場合には、運転操作および保守に専門的な煩雑さが要求されるエジェクターとサイクロンを組み合わせた多段連続真空脱気方式が採用され、時間当たりの処理量も充分な設備が実用化されているが、設置面積が大きく、設備費用及び維持費用が大きいので、処理による付加価値が見込める産業用途向きであり、一般の共同住宅やオフィスビルなどにおける水処理設備の脱気装置としては管理面も含めて経済的に引き合わず、採用は現実的ではない。
【００１０】
この他に、例えば中空糸膜脱気法をイオン交換樹脂筒の上流で実行する方式も考えられるが、この場合は、水中の金属塩が中空糸膜に付着し、それが酸化されて忽ちのうちに脱気酸素の通路が塞がって脱気不能に陥り、頻繁な膜交換のためにランニングコストが嵩む欠点がある。
【００１１】
また、中空糸膜をイオン交換樹脂の下流で使用することも単に溶存酸素の除去には効果があるが、この場合も、例えばボイラ設備では蒸気リターン配管や循環温水配管から溶解した金属イオン成分が酸化されて中空糸膜面に付着固化し、目詰まりをおこすので、中空糸膜の全面交換作業を比較的早期に行なうことが余儀なくされる欠点が避けられない。
【００１２】
尚、真空脱気処理に併用して処理水を加熱沸騰することにより水中のトリハロメタンやトリクロロエチレン等の有機発癌物質を同時に除去することも知られているが、給湯系では採用されるものの、冷水を供給する給水系では煮沸のためのエネルギーが無駄となるので現実には採用できない難点がある。
【００１３】
従って本発明の課題は、薬注を不要としながらほぼ連続的な通水を可能とする比較的設備維持の簡単な真空脱気とイオン交換処理との組み合わせ方式よる水処理装置、特に水中の揮発性溶存成分および腐食性溶存成分を効果的に除去しつつ軟水化又は純水化するための水処理装置を提供することである。
【００１４】
また、薬注を不要としながらもイオン交換樹脂の劣化を効果的に防止して、イオン交換樹脂の耐久性を向上でき、延てはイオン交換樹脂の逆洗回数をも削減可能な水処理装置を提供すること、或いは、加熱することなく溶存物質の除去を果たすことのできる水処理装置を提供することなども本発明の別の課題である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するための本発明の基本理念は、給水を受ける導水筒内で減圧下で空洞現象を誘発して水中の溶存気体を捕集脱気し、導水筒で脱気された水を減圧貯水タンク内で更に真空脱気して一時貯留し、この減圧貯水タンクに蓄えられた水を、減圧貯水タンクより下方に配置されたイオン交換樹脂筒に大気と接触させることなく送水するようにして、イオン交換樹脂筒には薬注によらずに溶存酸素の除去された水を通水し、以てイオン交換膜の酸化を防止できるようにした点にある。
【００１６】
本発明の脱気装置は、先に例示した特公平２−１１３１９号、特公平２−１２６４０号或いは特公平６−３８９５９号公報に開示されているような水に電界を作用させて水中の電解質を電解する電界処理装置の下流に設置することができ、それにより上流で電離処理された水を本発明の水処理装置に導いて水中の残存溶存気体の殆どを除去し、それを連続的に下流のイオン交換樹脂筒へ通水することが可能である。イオン交換樹脂筒を通過した水は軟水化又は純水化されており、適当な軟水貯水槽から下流の配水設備へ分配されることになる。
【００１７】
本発明による水処理装置は、給水管から導入される水に減圧と必要に応じて更に超音波処理を加えることにより空洞現象を誘発して水中の溶存気体を捕集脱気する導水筒と、導水筒で脱気された水を大気圧以下に減圧された室内に一時貯留する減圧貯水タンクと、減圧貯水タンクより下方に配置されたイオン交換樹脂筒と、減圧貯水タンクに蓄えられた水を大気に接触することなくイオン交換樹脂筒に導入する送水手段とを備えたことを基本的な特徴とするものである。
【００１８】
本発明の水処理装置では、減圧によって導水筒内に吸引導入した水に空洞現象を誘発させ、場合によっては減圧沸騰を生起させることにより、水中の溶存気体を気泡として水面上で破裂させ、これを気体として減圧源に吸引捕集して脱気するので、脱気のための減圧を水の導入に利用できるほか、処理水を煮沸させるための加熱エネルギーが不要である。
【００１９】
導水筒における水の空洞現象の誘発には超音波振動エネルギーの照射が有効であり、この場合は、導水筒内には給水管から導入された水にキャビテーションを生起せしめるための超音波振動付与装置が取り付けられ、水が真空圧のみにより、減圧沸騰を起こす場合よりも減圧の程度が少なくても、超音波振動エネルギーによるキャビテーションで水に空洞現象を誘発でき、溶存気体の気泡化を促進することができる。もちろん、減圧を充分低圧にし、それ自体で水に減圧沸騰を起こす場合にも超音波の照射を併用することは効果的である。
【００２０】
一般に超音波によるキャビテーションは、音圧が大気圧を超えたときに発生する。そこで、超音波の音圧を（ｐ）、処理対象の水の密度を（ρ）、粒子の振動速度を（ｕ）、波の伝播速度を（ｃ）とすれば、ｐ＝ρｃｕである。また、音波の強度、すなわちパワー密度（Ｉ）は、Ｉ＝ρｃｕ2 である。
【００２１】
従って、本発明では処理対象の水の密度は水中の揮発性成分や有機物などの不純物含有量で大きく影響をうけることから、導水筒の底面の裏側に複数の超音波振動子を取り付け、振動子の稼動数と駆動電源の電圧電流制御によって超音波の強度を制御し、真空度が脱気室内の水の飽和水蒸気圧に達する前に導水筒内の水柱にキャビテーションを発生させて水中の揮発性成分等を効率的に気泡化し、この気泡を水面上で破裂させて減圧源に吸引捕集することにより脱気し、この脱気水中に含まれる微細な気泡を更に脱気室における散水による真空脱気で除去し、酸化力の極めて弱い脱気水に換えたうえでイオン交換樹脂筒に送り込むことにより、イオン交換樹脂の劣化を効果的に防止するようにしたものである。
【００２２】
この超音波振動による脱気の効果の向上は著しく、従来の一般的な受水槽における水面が大気に開放された条件下での超音波加振方式とは異なり、本発明では導水筒内の上部空間が減圧された条件下で行なわれるので、脱気された水に大気から平衡分圧に応じた量の気体が再び溶解してしまうことがなく、塩素臭のないほぼ純水に近い高純度の脱気水を得ることができる。
【００２３】
特に好ましくは、直立状態の導水筒の底部から導水筒内に満たされた水に超音波振動の定在波が与えられるように導水筒の寸法及び超音波振動の周波数を選定することにより、導水筒内を満たす水柱には超音波の定在波が形成され、水面で超音波の完全反射が起こるので最大の超音波振動エネルギーが伝達され、それによりキャビテーションが瞬時に発生し、溶存気体が盛んに気泡となって水面で破裂し、導水筒内の減圧された上部脱気空間から外部へ捕集除去され、従って脱気の効率が更に高くなる。
【００２４】
本発明の好ましい別の特徴によれば、導水筒には水中の溶存気体を導水筒内の上部脱気空間内で急膨張させて減圧脱気する膨張脱気循環系が付設されている。この膨張脱気循環系は、導水筒内の下部から水を吸引するポンプと、このポンプで加圧された水を導水筒内の上部脱気空間に噴射するノズルとを備えている。
【００２５】
すなわち、上述のように導水筒内で超音波によるキャビテーション空洞内に捕集された気体の圧力は比較的小さく、導水筒の底部では水柱の水圧で圧縮されて微細な気泡となっており、膨張が不十分であるので浮上速度も遅く、これが水面に浮上しても温度等の条件によっては直ちに破裂することなく気泡のまま水面に留まり、脱気されるまでに時間がかかる場合があるが、上記膨張脱気循環系を付設した場合は、好ましくは導水筒の底部の気泡発生部位の直上部位、超音波振動付与の場合は振動面上の気泡発生部位の直上部位から、発生気泡を水と共に前記ポンプで吸引・加圧し、これを前記ノズルから導水筒上部脱気空間に噴射することにより、ノズルからの噴射水を減圧下の上部空間内で急激に減圧膨張させて脱気することができる。
【００２６】
この場合、更に好ましくはノズルからの噴射水を導水筒内壁面または別に取り付けた衝合壁部材に衝突させ、噴射水に含まれる気泡を強制的に破裂させると一層効果的な脱気が可能である。気泡の破裂で分離した気体は導水筒内の上部脱気空間から外部へ捕集脱気され、脱気水は自然落下で下方の導水筒内の水面に上積貯水されるが、この場合に脱気水が水面に穏やかに導入されるように鎮静用の樋手段などを付設してもよい。
【００２７】
尚、この膨張脱気循環系に用いられる上記ポンプとノズルの組み合わせは所謂吸水ジェットポンプを構成し、その吸水流量ＱP は、水処理装置自体の減圧吸引による給水流量ＱW に対してＱP ＝ｍＱW の関係にある。ここで、ポンプの容量の選定により脱気循環係数ｍが大きな値になるようにすればするほど脱気効率は高くなり、またポンプの容量を可変設定できるようにすることにより、装置の給水流量ＱW に応じて脱気能力を任意に設定可能な循環系とすることができる。
【００２８】
本発明の更に別の好ましい特徴によれば、導水筒の上部開口縁には導水筒内に貯えられた水を溢流によって減圧貯水タンクに導入する溢流手段が設けられ、この場合、減圧貯水タンクは、導水筒の上部開口縁から溢流する水を受け入れて脱気する脱気室と、脱気室の底部から水を導入して残存気泡を浮上させる第１貯水室と、第１貯水室から水を導入して送水手段に導出する第２貯水室とを備え、これら脱気室と第１および第２貯水室並びに導水筒の各上部空間は互いに連通して減圧室を形成し、減圧室には脱気ガス捕集用の吸気減圧装置が接続される。
【００２９】
また、この場合、減圧貯水タンクの脱気室内に、導水筒の上部開口縁から溢流する水を散水する散水手段と、散水手段による散水を受けて水を飛散させる散水床とを設けると、減圧貯水タンク内での真空脱気も更に効率的となる。
【００３０】
このような減圧貯水タンクは、減圧下での散水による真空脱気槽と脱気された水の一時貯留槽の機能を兼ねるものであり、後述のように円筒状タンクの内部を二枚の仕切り板で縦割り状に仕切りることにより、脱気室、第１貯水室、および第２貯水室を形成することができる。
【００３１】
この場合、三室の横断面積の比は二枚の仕切り板の取り付け位置によって所望に決定することができ、具体的な比の例を示せば、脱気室：第１貯水室：第２貯水室＝０．６７５：０．２５：０．０７５である。
【００３２】
このような二枚の仕切り板の上縁はタンク上蓋との間に間隙を形成し、この間隙によって三室の上部空間は互いに連通した減圧室となる。この減圧室は外部の真空ポンプに接続され、稼動中は大気圧より低い減圧状態に保たれる。
【００３３】
また各仕切り板の下縁もタンク底板との間に間隙を形成するように取り付けられ、この間隙は脱気室と第１貯水室間、および第１貯水室と第２貯水室間の水の通路を形成する。
【００３４】
尚、ここで脱気室と第１貯水室間の水の通路を形成する間隙が、第１貯水室と第２貯水室間の水の通路を形成する間隙に対面するような仕切り板の配置の場合は、脱気室から第１貯水室に流入してくる水が第１貯水室と第２貯水室間の水の通路を形成する間隙に直接向かわないように、第１貯水室内の底板上に適宜な高さの邪魔板を設けると良い。
【００３５】
送水手段は第２貯水室の底部から大気に触れることなく水を吸引し、揚水ポンプでイオン交換樹脂筒内の上部空間に散水する。イオン交換樹脂筒の内部は大気から遮断されており、その上部空間の下方にはイオン交換樹脂濾材床が装填されている。イオン交換樹脂濾材床を通過する間に交換反応を受けて軟水化した水はイオン交換樹脂筒の底部から配管を介して軟水貯留槽に送られ、そこから下流の配水設備に送られることになる。
【００３６】
本発明の水処理装置においては、処理対象の水中に金属イオン又は金属が存在していても、水中の溶存酸素、遊離塩素、炭酸ガス等の腐食性溶存ガスをイオン交換樹脂筒の上流でほぼ完全に脱気することができ、イオン交換樹脂筒に通水される水は酸化力の弱い水となっている。従って、薬注を行なうことなくイオン交換樹脂の酸化が防止され、その耐久性を大幅に向上することが可能である。
【００３７】
また、酸化によるイオン交換樹脂の不可逆膨潤の発生の懸念がなくなるので、例えば強酸性陽イオン交換樹脂として架橋度の低いものを使用することが可能となり、速い交換反応速度で大分子のイオンの交換性を良好にすることができるという利点も得ることができる。
【００３８】
尚、脱酸された水中に鉄や銅の酸化物が混在していても、水の酸化力が弱くなっているのでイオン交換樹脂は酸化を受けにくく、従ってイオン交換樹脂濾材床の上に単なる濾過層を配置することで除鉄除銅層として使用可能となり、軟水器のイオン交換樹脂の耐久性を増す利点も得ることができる。
【００３９】
本発明の水処理装置は、機械室やボイラ室などの狭い部屋内に設置されて使用されることが多いと考えられるので、装置構成としては一体化構造であることが好ましい。このような設置床面積を極力小さくしたい用途において、本発明の水処理装置は減圧貯水タンクとイオン交換樹脂筒とを上下二段構造の一体型タンクとして構成でき、この場合、一体型タンクの上段が減圧貯水タンクに、下段がイオン交換樹脂筒に構成される。
【００４０】
このような上下二段構造の一体型タンクの場合、送水手段の揚水ポンプを設置床面に配置し、一体型タンクの上段にある減圧貯水タンク内の上部規定制御水面から揚水ポンプまでの落差を揚水ポンプの吸込み揚程の一部に利用することができ、これにより揚水ポンプとして特に高圧ポンプを利用しなくても、通常のポンプでイオン交換樹脂筒に送水することができる。
【００４１】
このように、本発明の水処理装置は、減圧貯水タンクとイオン交換樹脂筒を一体型タンクに組み込んだ単体構造の水処理ユニットとして構成することができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、減圧貯水タンクとイオン交換樹脂筒とを別体の缶体として構成し、各缶体を配管で接続して集合設備として構成できることは述べるまでもない。
【００４２】
尚、本発明による水処理装置の水と接触する主要構造部材を第三種以上の電気接地条件で配管を含めて同一電位に保つことにより電蝕を防止することは望ましいことである。
【００４３】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施の形態を図面と共に説明すると以下の通りである。尚、図示の実施例では、受水槽から導かれる水を前述の特公平６−３８９５９号公報に開示された水質浄化用の電極筒に導いて、高周波電界による処理水中の未電離金属塩のイオン解離の促進によって処理水中のミネラル成分を非付着性の遊離物質として析出・濾別してから導水筒に導入する構成の装置を例示しているが、本発明の水処理装置はこの実施例に限定されるものではなく、受水槽から導水筒への直接給水はもちろん、他の種々の水処理装置の下流側に組み合わせて利用することができるものである。
【００４４】
図１において、設備への給水は、受水槽１４へ受けた水を電極筒１５で電離処理してから給水管８に送ることで行っており、この電極筒１５は制御器２６で制御され、高周波電界による処理水中の未電離金属塩のイオン解離の促進によって水中のミネラル成分を非付着性の遊離物として析出および濾別するものであり、その詳細は特公平６−３８９５９号公報に述べられているのでここでは詳説しない。
【００４５】
尚、受水層１４と電極筒１５との間には電磁開閉弁１６が介装されており、この電磁開閉弁１６は制御器２６による制御で通常の装置稼働時には開かれているが、保守などの目的で給水を止める必要のある際には閉鎖される。
【００４６】
給水管８は導水筒７の下部に接続されており、この導水筒７は、後述するように超音波によるキャビテーションの発生によって促進された真空脱気を行なうためのものであり、本例では導水筒７は筒状本体１の外側面に直立姿勢で取り付けられている。
【００４７】
筒状本体１は、上蓋６で密閉される一体構造の密閉タンクであり、筒状本体１の内部は中間隔壁９によって上下二段に仕切られ、上段が真空脱気用の減圧貯水タンク１０、下段が軟水化用のイオン交換樹脂筒１１を構成している。
【００４８】
減圧貯水タンク１０の内部は、図２にも示したように、筒状本体１の内周面に両側縁で溶着された二枚の仕切り板５ａ，５ｂによって縦に三室に仕切りられており、上流から順に脱気室２、第１貯水室３、第２貯水室４を形成している。
【００４９】
各仕切り板５ａ，５ｂの上縁は上蓋６との間に間隙を形成しており、これにより三室２，３，４の各上部空間が導水筒７の上部空間と共に互いに連通した減圧室を構成し、この減圧室には外部の真空ポンプ２７の吸引ポートに接続されている。
【００５０】
また各仕切り板５ａ，５ｂの下縁は中間隔壁９との間に間隙を形成しており、これら間隙によって脱気室２と第１貯水室３との間の水の連通口１２および第１貯水室３と第２貯水室４との間の水の連通口１３が形成されている。連通口１３の直前には、連通口１２からの水流が連通口１３に直接差し込まないように、連通口１３の高さより上方へ延在する一枚の邪魔板５ｃが設けられており、この邪魔板５ｃの下縁は中間隔壁９に、また両側縁は筒状本体１の内周面にそれぞれ溶着されている。
【００５１】
脱気室２は、上部で溢流連通管１８を介して導水筒７の上部空間に連通されており、溢流連通管１８の導水筒７内における端部には溢流堰１７が設けられている。この溢流堰１７は導水筒７の天井面との間に間隔を形成しており、これにより、導水筒７の上部に減圧空間が確保されるようになっている。
【００５２】
溢流堰１７は導水筒７の上部開口縁を形成し、そこから溢流する水は溢流連通管１８により脱気室２内に導かれるが、この導入された水を脱気室２内で広範囲に散水するために、脱気室２の上部には溢流連通管１８の出口に接続されたＶ型の溢流樋１９が径方向に延在配置され、その下方に溢流樋１９落下してくる水を受けて飛散分散させる散水床２０が配置されている。
【００５３】
この散水床２０の配置高さは、減圧貯水タンク１０内の水位が上限水位ＨＬにあるときに散水床２０が中途深さまで水に浸かるように設定され、またこの上限水位ＨＬでは仕切り板５ｂはその上縁が水中に没するように高さ寸法が制限されている。減圧貯水タンク１０内の水位を計測するために、第２貯留室４内には上蓋６から上限水位検出用の水位検出器３１ａと下限水位検出用の水位検出器３１ｂが垂下挿入され、それぞれの検出出力は制御器２６に送られて電極筒１５、導水筒７、真空ポンプ２７や揚水ポンプ２３、電磁開閉弁１６，２２などの作動制御に利用される。
【００５４】
さて、導水筒７の底部には、導水筒７の軸心上に指向して超音波振動を放射する複数の超音波振動子３４が取りつけられ、これらの振動子３４は制御器２６によって駆動制御されている。この場合、制御器２６は、動作させる超音波振動子３４の数と振動出力強度を水質及び水量に応じて予め設定されたプログラムにより可変制御する。
【００５５】
この超音波振動子３４は数十ｋＨｚの超音波を放射し、その実効振動面から導水筒７の水面（溢流堰１７の上縁）までの距離は、放射超音波振動の４分の１半波長の奇数倍近傍に定められている。これにより導水筒７の内部を満たす水柱には超音波の定在波が形成され、粗密の変化が大きく、且つその水面で超音波振動がほぼ完全に反射されて高い効率でキャビテーションを生起し、それにより水中溶存気体が活発に気泡となって減圧状態下の上部空間に放散される。この導水筒７の上部空間は減圧貯水タンク１０の上部空間と連通している。
【００５６】
ところで、導水筒７の底面は裏面に超音波振動子３４を取り付けた振動面となっているが、振動面から筒内に放射された超音波によって水柱に形成されるキャビテーション空洞内に捕集される気泡の粒径は通常の使用温度条件下では一般に極めて微細である。例えば、導水筒７内の水柱を40／760 mmHgの減圧下におき、水柱の温度を10℃とすれば、キャビテーションで生起する気泡の体積Ｖは、
Ｖ＝（ｎ×20×22.4×283）／（Ｍ×273）
≒  464×ｎ／Ｍ  （但し、ｎ／Ｍは水柱の気体のモル比）
にまで膨張しようとするが、振動面上の気泡は水柱の水圧で圧縮されているので、膨張は不完全である。このような場合、本発明の別の特徴にしたがって、導水筒には膨張脱気循環系が付設される。
【００５７】
図３に膨張脱気循環系を導水筒に付設した場合の変形実施例を示す。図３において、図１と同一符号は対応する部分を示し、この変形実施例では、図１の実施例における導水筒７に代えて、ポンプ７４及びノズル７６による膨張脱気循環系が付設された導水筒７０を用いており、それ以外の各部は図１の実施例と同様である。導水筒７０は、全体形状が概略直立円筒形であることは図１の実施例と同様であるが、その内部の上部空間７１は、溢流連通管１８との連通開口よりも更に上方に拡がるように全高が高くなっている。この上部脱気空間７１は、溢流連通管１８を介して脱気室２の上部空間に連通すると共に、頂部の配管７２を介して直接的に真空ポンプ２７の吸引ポートに接続されている。
【００５８】
導水筒７０の下部貯水部には、給水管８から導入された水に超音波を照射することによって生じた気泡が浮上する途中で気泡と共に水を吸引するように、底部近傍に吸引口７３が設けられている。この吸引口７３にはポンプ７４の吸引ポートが接続され、ポンプ７４の吐出ポートには配管７５によって噴射ノズル７６が接続されている。噴射ノズル７６は導水筒７０の上部空間内に噴射口を向け、ポンプ７４で加圧された吐出水が上部空間７１内の対向内壁面に衝突するように霧状に噴射を行うようになっている。
【００５９】
減圧下にある上部空間７１内でノズル７６から水が噴射されると、水中の気泡はノズル７６を出た直後に外部圧力を瞬時に失って急膨張し、水から気体が分離される。この分離気体は直ちに上部空間７１から配管７２および真空ポンプ２７によって捕集排気され、一方、このようにして脱気された霧状の噴射水は上部空間７１内を自由落下して下方の水面上に上積みされて溜ることになる。
【００６０】
このように、膨張脱気循環系は導水筒７０内の水を強制的に霧状に細分化して気泡内の気体の圧力による束縛を解き、ジェット噴流の力を利用して気泡に急速な膨張を促す付加強制脱気手段であり、ポンプ７４の吐出流量の設定によって循環送水流量ＱP を単位時間当たりの装置への給水流量ＱW のｍ倍（ｍ＞１）に設定して循環脱気を行えば付加的な脱気の効果が得られるが、係数ｍを更に大きくすれば脱気効果はそれに応じて高くなる。ポンプ７４には固定容量型ポンプや可変容量型ポンプを使用することができ、或いはまた、速度調整可能な電動機で駆動されるポンプを使用することもできる。
【００６１】
尚、ポンプ７４を給水流量と平衡した流量設定で運転してもよく、また、ポンプ７４による循環流量よりも給水流量を増して運転した場合には、ノズル７６からの脱気された循環水は導水筒７０内の水位を上昇させるが、これはやがて溢流堰１７を越えてオーバーフローし、溢流連通管１８から脱気室２で導入されるので何等支障はない。
【００６２】
以上に述べたような膨張脱気循環系を付設した導水筒７０による付加的な脱気システムは、それ自体で凡ゆる液体中のガスの脱気に適するものであり、比較的密度の高い液体における脱気に際しては超音波照射強度を液体密度に応じて調整すればよく、例えば石油プラントにおける回収水中に含まれるベンゼン等の毒性ガスの脱気や洗瓶工程における洗浄廃水中からの塩素ガスの脱気にも利用でき、また、脱気ガスを真空ポンプから回収することもできるので、給水設備に限らず下水処理や各種プラントの廃水処理においても今後不可欠なシステムとして位置付けられる。
【００６３】
さて、図１に戻って、導水筒７、脱気室２、第１および第２貯水室３，４の各上部空間に放散された水中溶存気体は、制御器２６で作動制御される真空ポンプ２７により吸引され、真空ポンプ２７の排気ラインから外部へ排出されることになる。尚、この排気ラインに脱臭装置を付設して周囲環境への臭気の放散を防止することは好ましいことである。
【００６４】
減圧貯水タンク１０の第２貯水室４は、底部の出口から配管２１により電磁開閉弁２２および揚水ポンプ２３を介してイオン交換樹脂筒１１の上部の入口に接続されている。これらの電磁開閉弁２２および揚水ポンプ２３の動作も制御器２６で制御される。
【００６５】
筒状本体１の下段のイオン交換樹脂筒１１は、貫流によるイオン交換反応で水を軟水化するためのものであり、上部の入口に接続された散水ノズル２８と、その下方のイオン交換樹脂濾材床２９とを内部に備え、濾材床２９の下方の筒底部出口は配管３０により開閉弁３２を介して軟水槽３３に接続され、この軟水槽３３から図示しない配水設備に供給されるようになっている。
【００６６】
尚、イオン交換樹脂筒１１の底部出口には逆止弁３５および開閉弁３６を介して逆洗用ポンプ３７も接続されており、この逆洗用ポンプ３７は、軟水槽３３の水を吸い込んでイオン交換樹脂筒１１に逆送できるようになっている。逆洗時に必要なイオン交換樹脂再生薬液は薬液タンク３８から薬液ポンプ３９及びバルブ４０を介して逆洗ポンプ３７の吸込みライン側に注入できるようになっている。またイオン交換樹脂筒１１の入口には逆洗時に開かれるバルブ２４を介して排水ピットへの配管２５が接続され、更にイオン交換樹脂筒１１の底部出口とこの排水配管２５との間は、ドレン排出時に開かれるバルブ４１を介して接続されている。
【００６７】
例示した水処理装置の動作を説明すると、まず電磁開閉弁２２を閉じて揚水ポンプ２３を停止した状態で電磁開閉弁１６を開き、制御器２６により電極筒１５および真空ポンプ２７を動作させる。これにより受水槽１４から電極筒１５内に水が吸引され、電極筒１５内における高周波電界による処理水中の未電離金属塩のイオン解離の促進によって水中のミネラル成分が非付着性の遊離スケールとして析出・濾別される。電極筒１５内で析出されたスケール分は電極筒１５の下部ドレンから適宜排出させ、脱スケールされた水は酸素・炭酸ガス・遊離塩素ガスなどを溶存しているので、下流の導水筒７と減圧貯水タンク１０へ送って脱気する。
【００６８】
すなわち、導水筒７と減圧貯水タンク１０の内部は真空ポンプ２７による減圧で負圧となっているので、電極筒１５内の処理水は給水管８を介して導水筒７に吸引され、これが徐々にその水位を上昇させて遂には導水筒７内を満たし、その上部開口縁の溢流堰１７から溢流すると、この溢流水は溢流連通管１８および溢流樋１９を介して減圧貯水タンク１０の脱気室２内に散水流下される。
【００６９】
導水筒７内では、制御器２６によって作動制御される超音波振動子３４からの超音波振動が水に与えられており、その強度は、真空ポンプ２７による減圧が水の飽和水蒸気圧に達する前に超音波による励振で水中にキャビテーションが起きるように制御される。これにより、導水筒７内の水中に活発な気泡の発生が誘発され、水中の溶存気体は瞬時に気泡化して水中を上昇し、水面で外圧を失って破裂し、気体となって導水筒７の上部空間に放出され、連通管１８を通過して減圧貯水タンク１０の上部空間（減圧室）から真空ポンプ２７の吸引によって装置外部に排出される。なお、図３の変形実施例では更に膨張脱気循環系による強制的な脱気が付加的に行われる。
【００７０】
導水筒７の上縁の溢流堰１７から溢流した水には未だ微粒子状の気泡が残存しているが、この水は溢流樋１９により脱気室２内の散水床２０の上に散水され、散水床２０で広範囲に飛散されながら流下する間に減圧状態の室内で更に脱気され、脱気室２内から第１及び第２貯水室３，４内を次第に満たすようになる。
【００７１】
このようにして減圧貯水タンク１０内に溜られる水は既に充分に脱気されており、タンク１０内で水位が上昇する際には、脱気室２から連通口１２を通って第１貯水室３に流入し、このとき流れの向きが邪魔板５ｃによって強制的に上向き流れとされるので、連通口１２から第１貯水室３に流入してくる流れに気泡が随伴していても、軽い気泡は流れの向きが上向きに変えられる際に互いに衝突して成長し、浮力を増しながら上向きの流れに乗って上方へ流れ、連通口１３から第２貯水室４へ差し込むことなく水面に達し、水面で外圧を失って急速に膨張破裂することにより気体となって真空ポンプ２７により吸引される。
【００７２】
第１および第２貯水室３，４内で脱気水が予め設定された上限水位ＨＬに達すると、水位検出器３１ａからの検出信号によって制御器２６が電磁開閉弁２２を開くと同時に、揚水ポンプ２３を作動させる。これにより第２貯水室４の底部の出口から電磁開閉弁２２および揚水ポンプ２３を介して下段のイオン交換樹脂筒１１に脱気水が送られる。
【００７３】
この間も真空ポンプ２７の吸引による導水筒７および減圧貯水タンク１０への給水と脱気は継続されており、揚水ポンプ２３は、上段の貯水室３，４の水位が検出器３１ｂで検出される下限水位ＬＬ以上であれば動作を継続するように制御器２６で制御され、水位が下限水位ＬＬより下がると制御器２６は揚水ポンプ２３を止めて真空ポンプ２７の作動により減圧貯水タンク１０内の水位が再び上限水位ＨＬまで回復するのを待つように制御する。
【００７４】
図４は、筒状本体１と揚水ポンプ２３の設置高さの関係を示す説明図であり、本例では、減圧貯水タンク１０を上段に、イオン交換樹脂筒１１を下段に配置して、揚水ポンプ２３に対して吸込み側の押し込み揚程ｈ１を与え、これにより揚水ポンプ２３に対する真空ポンプの負圧抵抗を軽減し、揚水ポンプの実揚程を比較的小さなｈ２としている。
【００７５】
イオン交換樹脂筒１１では、揚水ポンプ２３から送られてくる脱気水を筒頂部の散水ノズル２８からその下部のイオン交換樹脂濾過床２９に散水し、イオン交換樹脂濾過床２９を通過する間に軟水化された水は筒底部の出口から配管３０および開閉弁３２を介して軟水槽３３に貯水され、そこから下流の排水設備に送られることになる。
【００７６】
このように脱気水が減圧貯水タンク１０からイオン交換樹脂筒を通過する間に処理水が外気との接触から遮断され、従って外気中の気体が平衡分圧に応じて水中に溶解することがなく、酸化力の弱い状態のままイオン交換樹脂を通過するのでイオン交換樹脂の酸化を防止してその耐久性を格段に向上させることができ、イオン交換樹脂として架橋度の低いものを使用して貫流交換容量を大きくすることも可能となるだけでなく、イオン交換樹脂の薬注逆洗浄のサイクルを伸ばすこともできる。
【００７７】
また脱気に寄与する減圧貯水タンクを上段とし、その下段にイオン交換樹脂筒を配置しているので、機械室やボイラ室内などに比較的狭い設置面積で配置することができる。
【００７８】
尚、図示の例では上下二段の一体構造ユニットによる水処理装置を示したが、減圧貯水タンクとイオン交換樹脂筒個々に独立したタンク形式で構成し、これらを配管系で接続しても同様に機能する水処理装置とすることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、減圧脱気処理容器を使用しながら連続的な送水を可能とする真空脱気イオン交換式の軟水化水処理装置を提供することができ、その設備維持も比較的簡単であって、例えば制御器は簡単なオン−オフ制御装置で実現可能であると共に、薬注を不要とし、加熱処理することなく溶存物質を効果的に除去して軟水として送水することができる。
【００８０】
また薬注によることなく水中の腐食性溶存成分を除去してイオン交換樹脂による軟水化が達成でき、処理後の水に薬剤の残留がないので、特にボイラの給水管理に利用すれば清缶剤や脱酸剤などの有害薬剤が不要となるほかボイラの腐食も防止でき、ボイラの蒸気中に薬剤が存在しなくなるのでその放出による薬剤飛散の恐れも皆無となるなど、数多くの利益を得ることができる。
【００８１】
更に超音波振動によるキャビテーションの発生を併用して真空脱気中に効率よく溶存気体の気化を促進し、脱気水の空気との再接触を極力防止して処理系内での大気からの酸素や炭酸ガスの再溶解を防止しつつイオン交換樹脂に通水するので、イオン交換樹脂の酸化による劣化が防止でき、例えば強塩基性イオン交換樹脂を用いても交換基の酸化による吸水性の低下や収縮を起こすことなく、その耐久性が格段に向上し、イオン交換樹脂の洗浄サイクルも延長できるので稼動効率を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施の形態の一例を示す説明図である。
【図２】図１の装置の減圧貯水タンクの横断面構造を示す説明図である。
【図３】本発明の変形実施形態の一例を示す説明図である。
【図４】筒状本体と揚水ポンプの設置高さの関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１：円筒本体
２：脱気室
３：第１貯水室
４：第２貯水室
５ａ：仕切り板
５ｂ：仕切り板
５ｃ：邪魔板
６：上蓋
７：導水筒
８：給水管
９：中間隔壁
１０：減圧貯水タンク
１１：イオン交換樹脂筒
１２：連通口
１３：連通口
１４：受水槽
１５：電極筒
１６：電磁開閉弁
１７：溢流堰
１８：溢流連通管
１９：溢流樋
２０：散水床
２１：配管
２２：電磁開閉弁
２３：揚水ポンプ
２４：開閉弁
２５：開閉弁
２６：制御器
２７：真空ポンプ
２８：散水ノズル
２９：イオン交換樹脂濾材床
３０：配管
３１ａ：水位検出器
３１ｂ：水位検出器
７０：導水筒
７１：上部空間（上部脱気空間）
７２：配管
７３：吸引口
７４：ポンプ
７５：配管
７６：ノズル
【図１】
0003825149.tif 000002
【図２】
0003825149.tif 000003
【図３】
0003825149.tif 000004
【図４】
0003825149.tif 000005