JP5089263B2 - 空気混入抑制装置 - Google Patents

Description

本発明は、水平方向から鉛直方向に変化する流路内を流れる液体に、空気が混入することを抑制する空気混入抑制装置に関する。

水力発電所では、発電用水車を回転させるための動力源である水を、渓流などの多くの水系から導水管を通じて集水している。

図４は、発電用水を渓流水源から本水路５０に集水するための水路２０の一例を示す断面図である。
図４に示すように、渓流から取水された水は、水平方向に延長する支水路３０から、鉛直下方向に延長する落し込み水路４０内を通過して、本水路５０に集水される。このような集水過程では、水が支水路３０の接続部３２から流出し、落し込み水路４０内を自由落下して、水面４２に到達する際に、多量の空気が水中に混入して、混入された空気が水とともに本水路５０内に流入し、発電用水車へ移送されてしまうことがある。その結果、エアーハンマー現象によって発電用水車のランナを破損するおそれがあるばかりでなく、発電効率も低下させてしまうので、極力、発電用水車に導入する水には空気が混入されていないことが望ましい。

一方、従来より、このような鉛直落差が生じるような流路で配管される配管中を流れる液体に対して空気混入を抑制する装置が開示されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載される空気混入抑制装置は、鉛直落差が生じるような形状で配管される鉛直管路の上流に越流堰を有する槽体を設け、鉛直管路内に主分割流路と副分割流路とに分割する仕切板と設置したものである。なお、この仕切板の上端は、副分割流路へ流れ込む液体を槽内で一定の水深まで堰き止める堰板となっており、主分割流路の断面積は、主分割流路内を流れる液体の流量が槽体の越流堰から越流する流量よりも少なくなるよう設定されている。これは、越流堰から越流する液体を鉛直管路の主分割流路内で溜めることにより鉛直落差をなくして空気混入を抑制し、また仕切板上端の堰板を越流して副分割流路内に流れる液体の流量を少なくして空気混入量を低減するためのものである。
特開平１１−１１８０８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示される空気混入抑制装置では、空気混入のおそれがある鉛直管路に対して、越流堰を有する槽体を設置する必要があるため、設備として大掛かりなものとなって、導入コストが嵩んでしまう。

また、鉛直管路における主分割流路内では、鉛直落差を解消することにより液体への空気混入を抑制しているが、液体が槽内の越流堰を越流して、仕切板上部の堰材によって堰き止められた液体の液面に流れ込むときの鉛直落差、及び液体が仕切板上部の堰板を越流して副分割流路内の液面に流れ込むときの鉛直落差は解消しておらず、越流した液体が自由落下して液面に到達する際に空気が混入するおそれがある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、鉛直落差を生じるような流路を流れる液体に空気が混入するのを抑制することが可能な空気混入抑制装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明は、略水平な水平路と、当該水平路の端部に接続された略鉛直方向下向きの鉛直路とからなる流路を流れる液体への空気混入を抑制する装置であって、
前記水平路から前記鉛直路へ流入した前記液体を、表面をつたわせて流下させるとともに、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁へ誘導する誘導体を備え、
前記誘導体は、上端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側へ凹むような凹状の表面を有し、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側へ凸となるような凸状の表面を有することを特徴とする（第１の発明）。

本発明の空気混入抑制装置によれば、空気混入の抑制が必要な流路において、特許文献１に記載されるような槽体や越流堰などの大掛かりな設備を設ける必要がなく、簡易な構成で施工できるので、導入コストを低減できる。

また、水平路端部から鉛直路へ流入する液体は、誘導体の表面をつたって流下し、誘導体の下端部から鉛直路の内壁に誘導され、さらに鉛直路の内壁をつたって流下することにより、流下時に接触する面から抵抗を受けてその流れが弱められ、液面への液体の流入が静穏に行われることとなり、これにより液体に空気が混入するのを抑制できる。

また、誘導体の上端部が、鉛直路の液体が流入する側へ凹むような凹状の表面を有することにより、水平路から誘導体の表面に導入した液体を、凹状の表面の中央底部に集束して、下端部に確実に流下させることができる。すなわち、液体が誘導体の下端部以外の部分から流出し、自由落下し、液面へ到達するのを回避して液体への空気混入をより効果的に抑制することができる。

また、誘導体の下端部が、鉛直路の液体が流入する側とは反対側へ凸となるような凸状の表面を有することにより、上端部で表面の中央底部に集束された流体が、下端部では流下方向に向かって側方両側に分散されて流下することになることから、流下する流体の接触する誘導体の面が拡大し、その接触面の抵抗により液体の流れを弱めることができ、流体への空気の混入をより一層効果的に抑制することができる。さらに、液体は、側方両側に分散された状態で、誘導体の下端部から鉛直路の内壁に誘導されることから、鉛直路内壁をつたって流下する液体の流れは、接触する内壁面の抵抗により、一層に弱められる。すなわち、これら液体の流れを弱める作用により、液面到達時における液体への空気混入を抑制する効果を高めることができる。

第２の発明は、略水平な水平路と、当該水平路に接続された略鉛直方向下向きの鉛直路とからなる流路を流れる液体への空気混入を抑制する装置であって、
前記水平路から前記鉛直路へ流入した前記液体を、表面をつたわせて流下させ、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁へ誘導する誘導体を備え、
前記誘導体は、その上端部が、前記水平路から前記鉛直路に液体が流入する方向と略垂直かつ略水平な軸の周りを回動可能に支承され、前記誘導体の下端部を、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁に向けて付勢する付勢手段を備えることを特徴とする。

また、第１の発明において、前記誘導体は、柔軟性を有する材料からなり、前記誘導体は、その上端部が、前記鉛直路の前記液体が流入する側の内壁に固定されていることとしてもよい。

本発明によれば、簡易な構成で、鉛直落差を生じるような流路を流れる液体に空気が混入するのを抑制することが可能な空気混入抑制装置を提供できる。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

本実施形態の空気混入抑制装置は、例えば、渓流水を、水力発電用水車を回転させるための動力の一部として用いるために、本水路へと導水する水路に設置される。

図１は、本実施形態に係る空気混入抑制装置１０の水路２０への設置状況を示す斜視図であり、図２は、図１における落し込み水路４０を上から見た図である。なお、水路２０は図４で示したものと同様の構成であり、その構成と対応する部分には同一の符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態において、支水路３０及び落し込み水路４０は、円管形状を有しているものとするが、各水路の形状はこれに限定されない。また、図１において、落し込み水路４０の支水路３０と接続する側の内壁を内壁４４ａとし、支水路３０と接続する側とは反対側の内壁を内壁４４ｂとする。

図１に示すように、空気混入抑制装置１０は、誘導体１２と、ヒンジ１６と、バネ１８とから構成される。

誘導体１２は、落し込み水路４０の内壁４４ａの支水路３０の接続部３２の近傍と、落し込み水路４０の内壁４４ｂとの間に設置される。なお、誘導体１２は、ヒンジ１６及びバネ１８によりこのような配置になるように設置されている（詳細は後述）。

誘導体１２は、例えば、鉄、ステンレス、ゴム、ビニール、樹脂等の板材を成形したものであり、その上端部１４において、落し込み水路４０の支水路３０が接続する側へ凹むような凹状の表面を有する。具体的に上端部１４は、例えば、板状の誘導体１２を落し込み水路４０の内周の１／３程度の範囲に当接するような断面円弧状に成形されている（図２参照）。

したがって、支水路３０の接続部３２から誘導体１２に導入された水は、凹状の表面の中央底部に集束して下端部に流れていく。

図３は、誘導体１２の下端部１５を拡大した図であり、同図（ａ）は図１中の誘導体１２を、その長手方向と直交する方向（図１に示すＡ方向）から見た図、同図（ｂ）は図１中の誘導体１２を、長手方向（図１に示すＢ方向）から見た図である。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、上端部１４と同様の凹状の表面となる領域をＸとして、また凸状の表面となる領域（詳細は後述）をＹとして示している。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、誘導体１２の表面は、下端部１５に近づくにつれて、凹状の表面（領域Ｘ）から、落し込み水路４０の支水路３０が接続する側とは反対側へ凸となるような凸状の表面（領域Ｙ）へ、凸状の領域が幅方向中央から両端へ次第に拡大していくように、形状を変えていく。そして、誘導体１２の最下端は、落し込み水路４０の内壁４４ｂと当接するような断面円弧状に成形されている（図２及び図３参照）。

したがって、誘導体１２の上端部１４で凹状の表面の中央底部に集束された水は、下端部１５では流下方向に向かって側方両側に分散されて流下し、その状態で、誘導体１２の下端部１５から落し込み水路４０の内壁４４ｂに誘導され、その後の内壁４４ｂをつたって流下する。

ヒンジ１６は、支水路３０との接続部３２近傍の、落し込み水路４０の内壁４４ａの互いに対向する２箇所に設置される。ここで、両ヒンジ１６を結ぶ軸の方向は、支水路３０の接続部３２から流出する水の流出方向と略垂直かつ略水平な方向になっており、２つのヒンジ１６は、その軸の周りに誘導体１２の上端部１４を回動可能に支承している。

バネ１８は、例えば、落し込み水路４０の内壁４４ａと、誘導体１２の中央部との間に設置され、誘導体１２に伸長方向の力を作用させることにより、誘導体１２の下端部１５を、落し込み水路４０の内壁４４ｂに向けて付勢している。

なお、本実施形態では、バネ１８を、誘導体１２の幅方向の両端に２箇所設置しているが、これに限らず、誘導体１２の底面と、落し込み水路４０の内壁４４ｂとの間に１箇所設置してもよい。また、バネ１８を、落し込み水路４０の内壁４４ｂと、誘導体１２の中央部との間に設置して、誘導体１２に収縮する力を作用させることにより、誘導体１２の下端部１５を、落し込み水路４０の内壁４４ｂに向けて付勢するようにしてもよい。

バネ１８による付勢力の大きさは、例えば、誘導体１２の表面に水が流通していない場合には、誘導体１２の下端部１５が落し込み水路４０の内壁４４ｂに当接するようにし、かつ、誘導体１２の表面に水が流通する場合には、その水の重量によって、バネ１８による付勢に抗して誘導体１２が回動して、下端部１５と内壁４４ｂとの間に、下端部１５からの水が内壁４４ｂへ円滑に誘導される程度の隙間４６が形成されるように設定する。

したがって、このようなヒンジ１６及びバネ１８が設置された誘導体１２をつたって流下する水は、その流量にかかわらず、下端部１５から隙間４６を通過して内壁４４ｂに円滑に受け渡され、その後内壁４４ｂをつたって流下することになる。

以上説明したように、本実施形態による空気混入抑制装置１０は、支水路３０の接続部３２と、落し込み水路４０の内壁４４ｂとの間に設置された誘導体１２を備えることにより、支水路３０から落し込み水路４０へ流入する水が、誘導体１２の表面１３をつたいながら流下するとともに、下端部１５において落し込み水路４０の内壁４４ｂをつたうように誘導されるので、水面４２への水の流入が静穏に行われることとなり、これにより水に空気が混入するのを抑制できる。

また、本実施形態による空気混入抑制装置１０は、誘導体１２が、上端部１４において、落し込み水路４０の支水路３０が接続する側へ凹むような凹状の表面を有することにより、支水路３０から誘導体１２の表面１３に導入した水を、凹状の表面の中央底部に集束して、確実に下端部１５に流下させることができる。すなわち、水が誘導体１２の下端部１５以外の部分から流出し、自由落下し、水面４２へ到達するのを回避して、水への空気混入をより効果的に抑制することができる。

また、本実施形態による空気混入抑制装置１０は、誘導体１２が、その下端部１５において、落し込み水路４０の支水路３０が接続する側とは反対側へ凸となるような凸状の表面（領域Ｙ）を有することにより、上端部１４で表面の中央底部に集束された水が、下端部１５では流下方向に向かって側方両側に分散されて流下することになることから、流下する水の接触する誘導体１２の面が拡大し、接触面の抵抗により水流を弱めることができ、水への空気の混入をより一層効果的に抑制することができる。さらに、水は、側方両側に分散された状態で、誘導体１２の下端部１５から落し込み水路４０の内壁４４ｂに誘導されることから、内壁４４ｂをつたって流下する水の流れは、接触する内壁４４ｂの面の抵抗により、一層に弱められる。すなわち、これらの水流を弱める作用により、水面４２に到達時における水への空気混入を抑制する効果を高めることができる。

なお、本実施形態の空気混入抑制装置１０では、誘導体１２と、ヒンジ１６と、バネ１８とから構成されたが、これに限らず、誘導体１２にゴム、ビニール、又は樹脂等の弾性を有する材質を使用し、誘導体１２の上端部１４を支水路３０の接続部３２近傍に固定した際に、誘導体１２上を流れる水量に応じて、誘導体１２自体が、その弾性作用により、水が下端部１５から内壁４４ｂにつたうように撓む場合には、特にヒンジ１６及びバネ１８を用いなくてもよい。

また、本実施形態による空気混入抑制装置１０では、空気混入を抑制する対象が水であるが、これに限らず、例えば、化学工場における溶剤等の液体であっても、その搬送流路等において空気混入を抑制する際に適用できる。ただし、誘導体１２、バネ１８及びヒンジ１６には、搬送される液体に対して耐食性を有する材料を用いるものとする。

また、本実施形態による空気混入抑制装置１０では、誘導体１２が落し込み水路４０内に１つ設置するものであったが、落し込み水路４０の高さが長い場合には、落し込み水路４０の途中に交互に複数設置してもよい。

図５は、落し込み水路４０に複数の空気混入抑制装置１０を設けた実施例の側面図である。
図５に示すように、落し込み水路４０の上部から下部に、誘導体１２上を流れる水の水平方向の向きが、交互に入れ替わるように誘導体１２を連続して複数設置することにより、落し込み水路４０の高さが長い場合でも水の勢いを効果的に弱めながら水面４２まで水を誘導し、水への空気混入を抑制することができる。

本実施形態に係る空気混入抑制装置１０の水路２０への設置状況を示す斜視図である。 図１における落し込み水路４０を上から見た図である。 誘導体１２の下端部１５を拡大した図であり、同図（ａ）は図１中の誘導体１２を、その長手方向と直交する方向（図１に示すＡ方向）から見た図、同図（ｂ）は図１中の誘導体１２を、長手方向（図１に示すＢ方向）から見た図である。 発電用水を渓流水源から本水路５０に集水するための水路２０の一例を示す断面図である。 落し込み水路４０に複数の空気混入抑制装置１０を設けた実施例の側面図である。

符号の説明

１０ 空気混入抑制装置
１２ 誘導体 １３ 表面
１４ 上端部 １５ 下端部
１６ ヒンジ １８ バネ
２０ 水路 ３０ 支水路
３２ 接続部 ４０ 落し込み水路
４２ 水面 ４４、４４ａ、４４ｂ 内壁
４６ 隙間 ５０ 本水路

Claims (4)

1. 略水平な水平路と、当該水平路に接続された略鉛直方向下向きの鉛直路とからなる流路を流れる液体への空気混入を抑制する装置であって、
   前記水平路から前記鉛直路へ流入した前記液体を、表面をつたわせて流下させ、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁へ誘導する誘導体を備え、
   前記誘導体は、上端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側へ凹むような凹状の表面を有し、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側へ凸となるような凸状の表面を有することを特徴とする空気混入抑制装置。
2. 略水平な水平路と、当該水平路に接続された略鉛直方向下向きの鉛直路とからなる流路を流れる液体への空気混入を抑制する装置であって、
   前記水平路から前記鉛直路へ流入した前記液体を、表面をつたわせて流下させ、下端部において、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁へ誘導する誘導体を備え、
   前記誘導体は、その上端部が、前記水平路から前記鉛直路に液体が流入する方向と略垂直かつ略水平な軸の周りを回動可能に支承され、
   前記誘導体の下端部を、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁に向けて付勢する付勢手段を備えることを特徴とする空気混入抑制装置。
3. 前記誘導体は、その上端部が、前記水平路から前記鉛直路に液体が流入する方向と略垂直かつ略水平な軸の周りを回動可能に支承され、
   前記誘導体の下端部を、前記鉛直路の前記液体が流入する側とは反対側の内壁に向けて付勢する付勢手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の空気混入抑制装置。
4. 前記誘導体は、柔軟性を有する材料からなり、前記誘導体は、その上端部が、前記鉛直路の前記液体が流入する側の内壁に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の空気混入抑制装置。