JP3460053B2 - 水底気泡掘削装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発朋は、気体と液体（以下気液
と言う）を共に圧送するポンプ１を使用して気液を水中
へ圧送し、エアリフト効果を発揮させて、深浅を問わず
少ない水質汚濁で、水中の大粒の玉石や土石、魚介類等
の採取、引揚げ、水底域の曝気・清掃等を効果的行う水
底気泡掘削装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、大深度の水中からの掘削、資源の
引き揚げには、エアリフトポンプによる引揚げ方法があ
ったが、送気にブロワやコンプレッサーを使用するた
め、引き揚げ量の割にトータルコストが大きくなり、効
率が低いとされて実用化には今一つの事情があった。

【０００３】従来から、エアリフトポンプはあったが、
送気にブロワやコンプレッサーを使用するため、高圧で
高速回転を必要とし騒音振動が大きく、騒音振動防止の
設備が必要で、汎用的に使用されない欠点があった。

【０００４】従来、水中での掘削や浚渫、採取には、サ
ンドポンプ等による方法もあったが、ターボ形式のポン
プの使用が多く、内部機器として羽根車が存在するた
め、大粒の砂利や玉石や魚介類等の固形物の混入には使
用困難で泥砂に限定されていた。また、容積形のポンプ
もあったが、ねじ、スクリュー、ピストン、歯車等があ
るため、圧送パイプの口径の１／２程度の大粒の玉石が
混入している場合には使用困難と言う欠点があった。

【０００５】また、水中での掘削や浚渫にはバケット方
式があったが、掘削毎にバケットを水中に出し入れする
方式のため、水質汚濁が全体に波及し環境への影響が大
きい欠点があった。

【０００６】従来、曝気の方式には多くの方法があった
が、いずれも前記の掘削や浚渫と同様に、水中への送気
にブロワやコンプレッサーを使用するため、高圧で高速
回転を必要とし騒音振動が大きく、騒音振動防止の設備
が必要で、トータルコストが嵩む欠点があった。

【０００７】また、従来、曝気の方式には多くの方法が
あったが、水中に空気を注入して上昇する気泡による曝
気が中心で、上層の曝気効果はあるが水底や下層の曝気
効果は十分てはない欠点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、前述
の従来技術の欠陥の解決にあって、設備、維持管理、動
力費の大きい従来のコンプレッサーやブロワを使用しな
いで、簡単な構造でエアリフト効果を発揮させる装置の
開発にある。

【０００９】さらに、本発明の他の目的は、サンドポン
プ等の方式でなく、圧送口径の１／２程度の大粒の土砂
や玉石をも吸引し引揚げができる装置の開発にある。

【００１０】本発明の他の目的は、従来の騒音振動が大
きく、トータルコストの高いンプレッサーやブロワを使
用しない曝気装置の開発にある。

【００１１】本発明の他の目的は、水中で放気し、気泡
の上昇による従来の曝気方法ではなく、水中で放気しな
い曝気方式の技術の開発にある。

【００１２】本発明の他の目的は、水底や下層の必要な
場所へ曝気効果を発揮する装置の開発にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決するため、気液を共に圧送するポンプ１から、気液
圧送パイプ２を水中に延伸して気液分離装置３へ接続
し、気液分離装置３の上部にサイフォン４の一端の入口
を設け下方に延伸して、サイフォン４の他端を気泡押出
口６としてエアリフトパイプ７に連通接続する、エアリ
フトパイプ７の下端に吸引パイプ８を連通接続し、吸引
パイプ８の他端を吸引口９とする、以上の構成であっ
て、気液を圧送するポンプ１から圧送した気液は、気液
圧送パイプ２を経て水中の気液分離装置３に入り、液体
は分離して下部から外部の水中に放出し、気体は上部の
サイフォン４に入り気体のサイフォンを形成させ、気体
の増加で気体押出口６から気泡となってエアリフトパイ
プ７に入り、上昇しながらエアリフト効果を発揮し、吸
引口９に吸引力を起こさせ、吸引口９から液体、または
液体に水底１４近辺の吸引物１３を共に吸引し引揚げる
ことに特徴がある。

【００１４】さらに、本発明は、気液分離装置３の下部
に返送パイプ１６を連通接続して、他端をさらに水中に
延伸して、パイプ８の吸引口９から溶存酸素の少ない貧
溶存酸素水を吸引して揚水すると共に、ポンプ１から溶
存酸素の多い富溶存酸素水を圧送し気液分離装置３から
返送パイプ１６を経て放流口１７から富溶存酸素水を必
要とする水中に放出することに特徴がある。

【００１５】

【実施の態様】請求項１は、図１及び図２に示すよう
に、気液を共に圧送するポンプ１から、気液圧送パイプ
２を水中に延伸して気液分離装置３へ接続し、気液分離
装置３の上部にサイフォン４の一端の入口を設け下方に
延伸して、サイフォン４の他端を気泡押出口６としてエ
アリフトパイプ７に連通接続する、エアリフトパイプ７
の下端に吸引パイプ８を連通接続し、吸引パイプ８の他
端を吸引口９とする、以上の構成であって、気液を圧送
するポンプ１から圧送した気液は、気液圧送パイプ２を
経て水中の気液分離装置３に入り、液体は分離して下部
から外部の水中に放出し、気体は上部のサイフォン４に
入り気体のサイフォンを形成させ、気体の増加で気体押
出口６から気泡となってエアリフトパイプ７に入り、上
昇しながらエアリフト効果を発揮し、吸引口９に吸引力
を起こさせ、吸引口９から液体、または液体に水底１４
近辺の吸引物１３を共に吸引し引揚げるものである。

【００１６】また請求項２は図３に示すように、請求項
１の装置の気液分離装置３の下部に返送パイプ１６を連
通接続して、他端をさらに水中に延伸して、パイプ８の
吸引口９から溶存酸素の少ない貧溶存酸素水を吸引して
揚水すると共に、大気と接触させて富酸素水化するか、
汲み上げた貧溶存酸素水をポンプ１から気液混合で圧送
して圧送の途上で溶存酸素を高めて富溶存酸素水化し
て、気液分離装置３から返送パイプ１６を経て放流口１
７から必要とする水中に放出するものである。

【００１７】請求項１及び請求項２に記載の通り本発明
は、ポンプ１、気液分離装置３、エアリフトパイプ７の
３つが主要構成であるが、ポンプ１とエアリフトパイプ
７は従来から存在する技術的装置で、本発明の従来にな
い技術構成の中心は気液分離装置３にある、なお、本出
願では気液分離装置３の内部を室内と表現する。

【００１８】また、エアリフトパイプ７はエアリフト効
果を発揮するもので、従来『気泡ポンプ』と言われてい
るものである、このエアリフト効果を大きくする方法と
して、ポンプ１の気液の比率を変え、気体を多くして効
果を高める場合もある。

【００１９】気液を分離させる理由は、エアリフトパイ
プ７に液体が混入することで吸引口９での吸引力が低下
し、エアリフト効果も低下するためである。吸引力は吸
引口９のみに集中させて効果を発揮させるもので、気液
を分離して気体のみをエアリフトパイプ７に入れること
で大きい効果を発揮させるためである。

【００２０】サイフォン４は、気液分離装置３から気体
のみをエアリフトパイプ７に自動的に押出すためのもの
で、気液分離装置３に圧送された気液は、気液分離装置
３内に水位を形成し、室内水位１１−１が気体押出口６
よりも低くなった時点で、気体押出口６からエアリフト
パイプ７へ気体が押し出されて、気泡となってエアリフ
トパイプ７を上昇しエアリフト効果を発揮する。

【００２１】図１、図２に示す通り、気液分離装置３内
の水位変化は、関連するパイプの内圧の状況で変化す
る、室内水位１（１１−１）〜室内水位３（１１−３）
とは気液分離装置３内に自動的に形成される水位で、関
連するパイプの内圧の状況で上下に変動するものであ
る。関連するパイプとは、気液圧送パイプ２、吸引パイ
プ８、エアリフトパイプ７、気液分離装置３から外部へ
の放流口の４箇所を言う。例えば、エアリフトパイプ７
が閉塞化した場合は室内水位３（１１−３）の状態にな
り、気液分離装置３から外部への放流口が閉塞化した場
合は室内水位１（１１−１）の状態になり、ポンプ１が
急激に停止した場合も室内水位１（１１−１）の状態に
なる、吸引パイプ８が閉塞化した場合も室内水位１（１
１−１）の状態になる、４箇所の内圧が均衡している場
合は室内水位２（１１−２）の状態になる。このよう
に、気液分離装置３内の水位は関連する４箇所の内部圧
力の変化で上下に変動する、この変動が起きても気液分
離装置３の気体のみをエアリフトパイプ７へ送る機能を
維持するため、この水位変動ができる水頭ａ（５−１）
及び水頭ｂ（５−２）の縦巾が必要となる、水位変動巾
ａ又ｂが小さい場合、サイフォン４に液体（水）が混入
したり、返送パイプ１６に気泡（空気）が混入する場合
が起こり、エアリフトパイプ７の汲み上げ機能を低下さ
せることになる。これらの現象は実験によっても容易に
確認できる。一方、気泡押出口６から、気体が押し出さ
れる場合は室内水位３（１１−３）の状態になり、エア
リフトパイプ７側から気体が吸引される場合は室内水位
３（１１−１）の状態になる、とも言うことができる。
このように、室内水位（１１−１〜３）は自動的に形成
されて上下変化するもので、水位変動巾ａ及びｂを示
し、気液分離装置３の気液を分離する機能を確保するた
め必要とするものである。

【００２２】気液分離装置３は、前述のように水位の変
動に対応できる大きさが必要である。断面的には、気液
が分離できる断面積が必要であり、面積が小さい場合は
気液の分離がスムーズに進まない場合がおきる。また、
縦の長さは水位の変動に対応できる『水頭ａ＋水頭ｂ』
以上の長さの巾が必要である、気体押出口６より下部の
長さ水頭ｂが小さい場合は圧送された気体が外部に流出
して気体を無駄にする場合が起きる、気体押出口６より
上部の長さ水頭ａが小さい場合は吸引口９に目詰り等が
起きた場合に気液分離装置３の気体だけでなく液体をも
吸引して気泡効果を低下させる危険性がある。ａ及びｂ
の値は実験で適切な数値を見出すべきと考える。

【００２３】水底気泡掘削装置の効果に影響する主な要
素のうち、エアリフトパイプ７でのエアリフト効果に関
して、 １．気液の圧送量を多くする ２．エアリフトパイプ７の水中の縦長さを大きくする ３．水面上の高さを小さくする ４．吸引パイプ８の口径を大きくし長さを短くする 固形物の輸送効果に関して ５．気液の流速を速くする（固形物の沈降速度よりもを
大きくする） ６．吸引パイプ、エアリフトパイプ７の口径を小さくす
る（流速が速くなるため） ７．固形物の粒径を小さくする（沈降速度が小さくなる
ため）

【００２４】水底とは、深浅の両方を意味し、海水、淡
水を含み、水中、水底をも含むもので、自然、人工的な
湖海の水底にも適用されるものである。また吸引物１３
とは切削物や採取物等のエアリフトパイプの口径以下
の、土砂、玉石や、魚介類、ごみ等や、深層水を含む固
形状、液状、粒状、泥状のもので、熱水、温水、冷水等
の液体を含み、水中深部の資源水をも含む。

【００２５】ポンプ１の詳細はここでは詳述を省略する
が、気液を交互に汲込んで共に同一のパイプで圧送する
装置で、従来のコンプレッサーやブロワを使用しないで
気液の高圧化ができる装置を言う。

【００２６】ポンプ１を使用する理由は、気液を共に同
じパイプで圧縮圧送するため、エアリフト効果及び、逆
エアリフト効果が起き、従来と同一圧力でもより深く圧
送ができるためである。

【００２７】気泡押出口６の位置は、状況により上下す
るため気液分離装置３の上下に余裕のある位置、すなわ
ち中間付近が効果的であり、吸引パイプとエアリフトパ
イプの連通接続部でよく、各パイプ８の長さは、吸引口
９の深さ、気体の注入位置、エアリフト効果の長さ、吸
引物の比重及び量、気液の体積比や量等を考慮して吸引
力を決める。吸引力の大きさから気液分離装置３の縦の
長さを決める必要がある。

【００２８】気泡が水面近くに上昇するにつれて、気泡
の体積膨張率は前述の式から計算されるが、、気液の体
積比率が急激に変化してエアリフト効果に支障が起きる
場合があり、エアリフトパイプの水面近くに膨張気体調
整部を設けて、気液の量を適切に調節してもよい。すな
わち膨張気体の一部を別ルートで放出するため過剰気体
通路を設ける場合もある。気液分離装置３の水深が５０
０ｍの場合、大気中の体積が１とした場合、水深１０ｍ
で体積は１／２、水深３０ｍで体積は１／４、５０ｍで
１／６、１００ｍで１／１１となる、５００ｍで１／５
１となる。すなわち、水面近くの５０ｍで体積は１／６
であり体積変化が大きいことが解る、それ以深では大き
い変化率ではない、気泡が上昇する場合はこの逆の体積
変化となり、上層の水面近くの５０ｍで６倍に体積増加
することが解る。

【００２９】前述の通り大深度からのエアリフトパイプ
内の気泡は水面に近付くで急激に膨張する。気液の混相
流を深水中に放出すると、気体は上昇途上に深度による
体積膨張を起こす水面近くになるにつれて体積変化は顕
著となる。水深と気泡の体積との関係は、

【００３０】水底気泡掘削装置の設置場所は、陸上から
でもよいが、船上に設置して深海の近いことが効果的で
ある。海上浮上式にして水底掘削や魚介類を採取する場
所に設置する方法もある。

【００３１】気液を圧送するポンプ１の駆動源は特に制
限はないが、モーターによる駆動が主体となる。

【００３２】請求項２に示す、水中等で容易に吸引し引
揚げができる装置として、吸引パイプ８の吸引口９の近
辺に、水中の監視、破砕、掘削等の操作をするため遠隔
操作システムである採取操作監視機器１０を付設しても
よい。これは、吸引作業の事前に、水底を監視、掘削、
細分化、ほぐし、目詰まり防止及び、吸引口の入口には
仕切り等を併設し、過大物での目詰まりを防止し等、各
種の操作でエアリフトパイプ７の吸引口９から容易に吸
引できるようにするためである。

【００３３】

【発明の効果】本発明によると、気液を共に送るポンプ
１や、エアリフトパイプ７（気泡ポンプ）のみでは用途
が極めて小さかった従来の装置が、気液分離装置３を併
設することで、水中の新しい用途を開拓した。

【００３４】本発明によると、従来の気泡ポンプのため
の送気に、ブロワやコンプレッサーを使用しない、容易
な方法でトータルコストの小さい技術の開発ができた。
すなわち、気液を共に送るポンプ１の使用で、通常の圧
縮作業に必要な冷却装置、コンプレッサーやブロワが不
要となるため、動力費を含む設備、維持管理の費用が節
約となる。

【００３５】本発明によると、ブロワやコンプレッサー
を使用しないため、騒音や振動防止の設備を不要にし
た。騒音、振動が極めて小さいためこれらを防止する施
設が不要となる利点がある。

【００３６】本発明によると、従来の非効率とされた気
泡ポンプと共に使用して、実用的に大きく近づけ、巾広
い水深範囲で、水底を掘削、深海水の引き揚げ、曝気や
清掃に使用して、地上に引き揚げる装置として実現させ
た効果がある。小水深から数千メートルに至る、巾広い
水深範囲で水底に眠る資源や資材を地上に引き揚げる効
果が生まれた。

【００３７】本発明によると、エアリフトパイプ７の口
径以下（ただし安全性を考慮してパイプ口径の１／２以
下が望ましい）のサイズであれば、現在水底の、固形
物、粒状、泥状、液状等の引き揚げにも対応ができるメ
リットがある。

【００３８】本発明によると、水底等の固形物、土砂等
の引き揚げに利用しても、水底を汚濁を最小に留めて作
業ができる効果がある。発生する汚水は殆ど吸引するた
め、水中掘削での水域の汚濁を拡大させずに、掘削が可
能となった。

【００３９】本発明によると、淡水中だけでなく、海水
中にも同様に適用が可能であり、池沼、人工湖等で水中
水底の浚渫への活用できるメリットがある。

【００４０】本発明によると、気液ポンプ等の使用でウ
ォーターハンマーやキャビテーションの起きる心配が極
めて小さいため、これらの対策施設が不要となる利点が
ある。

【００４１】さらに本発明の中心となる気液分離装置
は、ポンプ１と気泡ポンプを組合せて使用しても、ポン
プ１の動力１つで全てが稼働する利点がある。

【００４２】これまでの特徴を、上水だけでなく、従
来、目詰まり等で困難性の高い下水等のように汚物や固
形物の多く含む液体を循環させて曝気する作業に効果的
に使用が可能となった。

【００４３】本発明によると、従来の水中への注入によ
る散気方式で気泡の上昇対流を利用した曝気方式ではな
く、ポンプ及びパイプ内を通過の途上で曝気効果を発揮
させて、水底等の必要な水域へ放水することが可能とな
った。

【００４４】本発明によると、従来最も困難とされてい
た水底等の必要な場所（深さ）の貧溶存酸素水を吸引し
て、通過するパイプ内で曝気して富溶存酸素水とした
後、必要とする場所（深さ）へ配管して放流させること
も可能となった。とくに、ダム等の深い水底の貧溶存酸
素水を吸引して、曝気して富溶存酸素水とした後、再度
ダム等の深い水底に戻すことも可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、請求項１の場合の１例を示し、水底
気泡掘削装置の（イ）は気液分離装置３とサイフォン４
を詳細化して、側断面図例を示し、水中で懸垂式にして
設置し遠隔監視採取機器１０を取り付けた、吸引とエア
リフト効果の発生原理の説明を図示したもの、（ロ）は
気液分離装置３を水底１４に設置し、気液分離装置３の
内部に、エアリフトパイプ７と吸引パイプ８を気体押出
口６と共に設けた１例を示す。（ハ）は本発明の、吸引
口９の近辺に採取操作監視機器１０として付設したバケ
ット等例を示す。

【図２】本発明の、［図１］と同様の主旨を全体概念図
を示した例図を示す。（イ）は、水底１４に設置した１
例図を示し、（ロ）は、水中で懸垂式に設置し遠隔監視
採取機器１０を取り付けた１例図を示す。

【図３】本発明の請求項２の場合で、水底気泡掘削装置
を水底の曝気に使用した例を示し、（イ）は、水中で懸
垂式に設置し、気液分離装置３の外側にエアリフトパイ
プ７を設けてサイフォンカバー１２に収納した１例図。
（ロ）は、気液分離装置３を水底１４に設置して、気液
分離装置３の内部に、エアリフトパイプ７と吸引パイプ
８と気体押出口６を設けた１例を示す。（ハ）は、気体
押出口６の部分詳細図。

【符号の説明】

１ ポンプ ２ 気液圧送パイプ ３ 気液分離装置 ４ サイフォン ５−１ 水頭ａ ５−２ 水頭ｂ ６ 気体押出口 ７ エアリフトパイプ ８ 吸引パイプ ９ 吸引口 １０ 採取操作監視機器 １１−１ 室内水位１ １１−２ 室内水位２ １１−３ 室内水位３ １２ サイフォンカバー １３ 吸引物 １４ 水底 １５ 膨張気体調整部 １６ 返送パイプ １７ 放流口

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】気体と液体を共に圧送するポンプ１から、
   気液圧送パイプ２を水中に延伸して気液分離装置３へ接
   続し、気液分離装置３の上部にサイフォン４の一端の入
   口を設け下方に延伸して、サイフォン４の他端を気泡押
   出口６としてエアリフトパイプ７に連通接続する、エア
   リフトパイプ７の下端に吸引パイプ８を連通接続し、吸
   引パイプ８の他端を吸引口９とする、以上の構成であっ
   て、気体と液体を圧送するポンプ１から圧送した気体と
   液体は、気液圧送パイプ２を経て水中の気液分離装置３
   に入り、液体は分離して下部から外部の水中に放出し、
   気体は上部のサイフォン４に入り気体のサイフォンを形
   成して、気体の増加で気体押出口６から気泡となってエ
   アリフトパイプ７に入り、上昇しながらエアリフト効果
   を発揮し、吸引口９に吸引力を起こさせ、吸引口９から
   液体または水底１４近辺の吸引物１３を共に吸引し引揚
   げる水底気泡掘削装置。
2. 【請求項２】気液分離装置３の下部に返送パイプ１６を
   連通接続して、他端をさらに水中に延伸して放流口１７
   とし、吸引口９から溶存酸素の少ない貧溶存酸素水等を
   吸引させて揚水すると共に、ポンプ１から溶存酸素の多
   い富溶存酸素水等を圧送して気液分離装置３から返送パ
   イプ１６を経て放流口１７から富溶存酸素水を必要とす
   る水域に放出する請求項１記載の水底気泡掘削装置。