(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-05
(45)【発行日】2024-11-13
(54)【発明の名称】採水システム
(51)【国際特許分類】
G01N 33/18 20060101AFI20241106BHJP
G01N 1/10 20060101ALI20241106BHJP
【ＦＩ】
G01N33/18 106B
G01N1/10 N
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2021054170
(22)【出願日】2021-03-26
(65)【公開番号】P2022151205
(43)【公開日】2022-10-07
【審査請求日】2023-11-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000006507
【氏名又は名称】横河電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100188307
【弁理士】
【氏名又は名称】太田 昌宏
(74)【代理人】
【識別番号】100202326
【弁理士】
【氏名又は名称】橋本 大佑
(72)【発明者】
【氏名】井上 健太郎
(72)【発明者】
【氏名】松井 康弘
(72)【発明者】
【氏名】片山 浩之
【審査官】草川 貴史
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１４７８２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５２－０１９２８０（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００２－２０２２２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５３９０５５３（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２８９４０２（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ３３／１８
Ｇ０１Ｎ １／００－１／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
採水点から流入した試料水が流れる流路と、前記流路において前記採水点と反対側に位置する端部に配置され、前記流路を流れてきた前記試料水を溜める採水容器と、
前記流路に沿って配置され、前記流路を流れる前記試料水を冷却する第１冷却装置と、
前記採水容器に溜まった前記試料水を冷却する第２冷却装置と、
を備え、
前記第１冷却装置は、前記採水容器に溜まった前記試料水の温度が維持される第１範囲に、前記流路の前記端部に流れてきた前記試料水の温度が含まれるように前記試料水を冷却する、
採水システム。
【請求項2】
前記第２冷却装置は、前記採水容器に溜まった前記試料水の温度を前記第１範囲に維持する、請求項１に記載の採水システム。
【請求項3】
前記第１冷却装置は、前記流路を構成する送液管に沿って配置され、かつ前記送液管を流れる前記試料水よりも低温の流体が流れる冷却管を有する、請求項１又は２に記載の採水システム。
【請求項4】
前記第２冷却装置は、遮光した状態で前記採水容器を内部に収容する冷却庫を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の採水システム。
【請求項5】
前記冷却庫は、内部に収容される前記採水容器を取り換え可能に構成される、請求項４に記載の採水システム。
【請求項6】
前記第１冷却装置と前記第２冷却装置との間に位置する前記流路を構成する送液管は保冷構造を有する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の採水システム。
【請求項7】
前記採水容器は、前記採水容器に溜まった前記試料水の量に応じて容量可変に構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の採水システム。
【請求項8】
前記流路を流れる前記試料水の流速が第２範囲に維持されるように前記流速を制御する制御装置を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の採水システム。
【請求項9】
前記制御装置は、前記試料水が前記流路を１日にわたり常時流れるように前記流速を制御する、請求項８に記載の採水システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、採水システムに関する。
【背景技術】
【0002】
例えば水処理インフラにおける処理水の水質を管理したり、海洋などの水域の水質を検査したりすることを目的とした試料水の採水に関連する技術が知られている。例えば、特許文献１には、ろ過速度を速めると共に、粒子の捕捉能力を高め、試料の変質を防ぐことができる自動採水器用ろ過装置が開示されている。例えば、特許文献１に記載のろ過装置は、冷凍機等補器類を含む冷蔵装置付きの自動採水器と組み合わせて使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００５－１４７８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載の技術を含む試料水の採水に関連する従来技術では、採水された試料水の水質の劣化を抑制するために試料水を効率的に冷却して採水容器に溜める点については十分に考慮されていなかった。
【0005】
本開示は、試料水を効率的に冷却して採水容器に溜めることができる採水システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
幾つかの実施形態に係る採水システムは、採水点から流入した試料水が流れる流路と、前記流路において前記採水点と反対側に位置する端部に配置され、前記流路を流れてきた前記試料水を溜める採水容器と、前記流路に沿って配置され、前記流路を流れる前記試料水を冷却する第１冷却装置と、前記採水容器に溜まった前記試料水を冷却する第２冷却装置と、を備える。
【0007】
これにより、採水システムは、試料水を効率的に冷却して採水容器に溜めることができる。例えば、採水システムは、採水容器に溜まった試料水を冷却する第２冷却装置に加えて、流路を流れる試料水を冷却する第１冷却装置も有する。したがって、採水システムは、第２冷却装置に収容された採水容器に試料水が流入する前に、流路上であらかじめ試料水を冷却することができる。流路を構成する送液管のような細い管路を流れる試料水は流量が小さく、採水容器に流入する前に短時間で効率良く冷却可能である。採水システムは、流路を流れる試料水を適切な水温まで急速に冷却することで、試料水の水質の劣化を抑制可能である。すなわち、採水システムは、試料水に含まれる微生物及び酵素の活性を抑制して、捕食、被食、増殖、死滅、及び分解を抑制可能である。
【0008】
一実施形態では、前記第２冷却装置は、前記採水容器に溜まった前記試料水の温度を第１範囲に維持してもよい。これにより、採水システムは、採水容器に溜まった試料水の水質の劣化を最小限に抑制可能である。すなわち、採水システムは、試料水に含まれる微生物及び酵素の活性を最小限に抑制して、捕食、被食、増殖、死滅、及び分解を最小限に抑制可能である。採水システムは、第２冷却装置による保冷効果により適切な水温で採水容器にて試料水を保管することが可能である。
【0009】
一実施形態では、前記第１冷却装置は、前記流路の前記端部に流れてきた前記試料水の温度が前記第１範囲に含まれるように前記試料水を冷却してもよい。これにより、採水システムは、流路における送液中に短時間で試料水を保管水温に調整することができる。したがって、採水システムは、採水容器に溜まった試料水を第１範囲よりも高い温度から第１範囲内の温度まで第２冷却装置により改めて冷却する必要がない。第２冷却装置は、採水容器に溜まった試料水を保冷することができる程度の冷却能力を有していればよく、冷却装置としての構成を簡略化可能である。
【0010】
一実施形態では、前記第１冷却装置は、前記流路を構成する送液管に沿って配置され、かつ前記送液管を流れる前記試料水よりも低温の流体が流れる冷却管を有してもよい。これにより、採水システムは、二重管式熱交換器の原理によって流路を流れる試料水を効率的に冷却可能である。このとき、送液管を流れる試料水が高温流体となり、冷却管を流れる流体が低温流体となる。採水システムは、このような二重管式熱交換器において向流方式が用いられることで、熱交換率を向上させることができる。したがって、採水システムは、採水容器に流入する前に流路上で試料水を短時間で効率良く冷却可能である。
【0011】
一実施形態では、前記第２冷却装置は、遮光した状態で前記採水容器を内部に収容する冷却庫を有してもよい。これにより、採水システムは、採水容器に溜まった試料水に対する保冷効果を向上させることができる。加えて、採水システムは、外部から入射する光によって生じる試料水の水質の劣化を抑制可能である。以上により、採水システムは、温度を要因とする試料水の水質の劣化だけでなく光を要因とする試料水の水質の劣化も抑制可能である。
【0012】
一実施形態では、前記冷却庫は、内部に収容される前記採水容器を取り換え可能に構成されてもよい。これにより、採水者は、一の採水容器において採水量の目標値に相当する試料水が溜まった時点で、当該一の採水容器を他の採水容器に容易に交換可能である。
【0013】
一実施形態では、前記流路を構成する送液管は保冷構造を有してもよい。これにより、採水システムは、第１冷却装置によって冷却された試料水の水温を維持したまま第１冷却装置から採水容器へと試料水を導くことができる。
【0014】
一実施形態では、前記採水容器は、前記採水容器に溜まった前記試料水の量に応じて容量可変に構成されてもよい。これにより、採水システムは、採水容器における空き容量を小さく維持し、かつ空き容量の変化も小さく維持することが可能となる。したがって、採水システムは、採水容器に溜まった試料水に対する第２冷却装置による保冷効率を向上させることができる。
【0015】
一実施形態に係る採水システムは、前記流路を流れる前記試料水の流速が第２範囲に維持されるように前記流速を制御する制御装置を備えてもよい。
【0016】
これにより、採水システムは、試料水の水質変動の適切な把握に寄与することができる。例えば、採水システムに含まれる制御装置は、流路を流れる試料水の流速が第２範囲に維持されるように調整部を制御する。このような制御装置による制御によって、採水システムは、試料水の流速及び流量を定常的に維持しながら長期にわたって採水処理を実行することができる。採水システムは、試料水を少量ずつ定常的に採水しながら長期にわたって採水量の目標値を達成することも可能となる。
【0017】
したがって、採水システムは、最悪又は最大の微生物学的負荷を含む試料水を漏れなく適切に回収することができる。採水システムによる上記のような採水方法によって、試料水の水質に関する突発的な変動を検出したり、ワーストケースを検出したりすることも可能となる。採水時に発生した水質の最悪条件が試料水に反映され、最悪の事態によってもたらされる質的リスクを逃さないことが可能となる。採水システムは、目的とする流体全体の汚染状況を反映した、代表的サンプル及び平均的サンプルとして試料水を回収することができる。結果として、試料水の水質変動及び水処理システムの制御性能を適切に把握することが容易となる。
【0018】
一実施形態では、前記制御装置は、前記試料水が前記流路を１日にわたり常時流れるように前記流速を制御してもよい。これにより、採水システムは、バルブを介して得られた試料水を、例えば１日という所定期間ごとに採水容器に回収することも可能となる。例えば、採水システムは、試料水の所定期間ごとの採水を３６５日継続して、時間ごと、日ごと、及び月ごとなどの変動を長期的に評価するために用いることも可能である。採水システムは、例えば２４時間の長時間にわたる試料水の連続的な採水においても、第１冷却装置及び第２冷却装置による冷却及び保冷効果によって、以後の解析が実施可能となるまで、試料水の水質の劣化を抑制可能である。採水システムは、例えば２４時間の長時間にわたる試料水の連続的な採水においても、採水容器に溜まった試料水に対する適切な保管条件を第１冷却装置及び第２冷却装置により維持可能である。
【発明の効果】
【0019】
本開示によれば、試料水を効率的に冷却して採水容器に溜めることができる採水システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本開示の一実施形態に係る採水システムの概略構成図である。
【図3】送液管と冷却管とにより構成される二重管式熱交換器の、流路に沿った温度分布の一例を示すグラフ図である。
【図5】本開示の一実施形態に係る制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図7】送液管と冷却管とにより構成される二重管式熱交換器の、流路に沿った温度分布の他の例を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
背景技術及び課題についてより詳細に説明する。
【0022】
例えば、水質調査に関するフィールドワークにおいては、短時間で試料水を手動により採水し、速やかに研究室へと輸送して解析などの後の処理を行うことが基本となる。一般的に、採水された試料水は、その性質及び状態の変化、又はその劣化の抑制を目的として輸送時に保冷剤及びクーラーボックスなどの簡易的なものを使用し保冷される。試料水の劣化の要因としては、例えば微生物の増殖、死滅、捕食、及び被食などが考えられる。環境調査に関する文献では、試料水を採水した後例えば４℃で暗所保管しつつ２４時間以内に処理をしたと報告する事例が多い。
【0023】
例えば、United States Environmental Protection Agency (2005) Method 1623: Cryptosporidium and Giardia in Water by Filtration/IMS/FA.では、サンプリング手法として１－１０℃での保管が定められている。例えば、American Public Health Association (2017) Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 23rd Edition, Water Environment Federation, Alexandria, VA, 9060 B.では、試料水の採水後１時間以内に処理を開始することができない場合、試料水の凍結を避けて、１－１０℃の冷暗所に最大で２４時間まで保管することが定められている。すなわち、試料水は採水後２４時間以内に処理される。
【0024】
また、採水された試料水の持ち運びを容易にするために、容量可変のディスポーザブルバッグを外殻容器で梱包する、いわゆるバッグインボックス方式が用いられるケースもある。採水される試料水の量が未定である場合に、このようなバッグインボックス方式が用いられる。
【0025】
また、冷蔵庫付きモデルの採水装置も存在し、採水した試料水が備え付けの冷蔵庫で保管される。このときの冷蔵庫内の温度は、例えば－４０℃～６０℃の範囲で調節可能である。
【0026】
また、特許文献１に記載の自動採水器用ろ過装置は、微生物などの浮遊物質を高濃度で含む液体試料に対して、自動採水器でサンプリングした場合に、自動採水器内でろ過を行って浮遊物質を除去し、上澄み液を得ることで、試料の変質を防ぐ。下水処理場の反応タンク混合液のように微生物と基質とを高濃度に含む液体試料の場合、冷却して微生物の活性を低下させようとしている間にも、試料の変質が急速に進んでしまう場合がある。したがって、特許文献１に記載の自動採水器用ろ過装置は、液体試料を採水後、直ちにろ過して微生物を分離し、試料の変質を防ぐ。自動採水器は冷凍機等補器類を備え、液体試料をより効果的に保存可能とする。
【0027】
上述した従来技術では、例えば、試料水は、採水された後速やかに処理されることが前提となっているため、単純な採水容器に溜められる。このような採水容器は、研究室へ持ち運び可能なサイズに限定される。例えば、採水者は、複数サイズのディスポーザブル容器を用意し、これらを組み合わせて試料水の採水を行う必要がある。採水者は、採水容器がディスポーザブル容器でない場合、使用後に採水容器を洗浄する必要がある。
【0028】
冷蔵庫付きモデルの採水装置の場合、冷蔵庫内で試料水を冷却するときの冷却時間が長くなってしまうという問題があった。また、採水容器の空き容量によって冷却時間が異なるという問題もあった。
【0029】
以下では、これらの問題を解決可能な採水システム１について説明する。本開示の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0030】
以下で説明する採水システム１は、多様な分野及び用途に応用可能である。例えば、採水システム１は、浄水場、下水処理場、水再生施設、及び海水淡水化施設などを含む水処理インフラにおいて水質管理及び処理性能を把握するための採水並びに採水された試料水の保管に用いることができる。採水システム１は、例えば、河川、海洋、親水域、プール、及び水浴場などを含む水域の環境調査における動態を把握するために、微粒子、コロイド分散系、及び微生物などの水質の検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。
【0031】
採水システム１は、例えば、水域及び環境インフラを網羅する都市の微生物感染リスクを把握するために、微粒子、コロイド分散系、及び微生物などの水質の検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。採水システム１は、飲料用又は加工食品の製造に使用される液体の質的リスク、安全把握、及び品質管理などを目的として、リスクを定量化したり、安全と判定できる閾値との比較検証を行ったりするために、微粒子、コロイド分散系、及び微生物などの水質の検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。
【0032】
採水システム１は、工業用水及び灌漑・農業用水などの水質の検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。採水システム１は、ミスト散布、加湿装置、及び打ち水などの、温湿度管理に用いる液体の質的リスク、安全把握、及び品質管理などを目的とした検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。採水システム１は、医薬品の製造及び人工透析療法などの品質管理検査に用いる試料水の採水及び保管に応用可能である。
【0033】
本明細書において、「微生物」は、例えば原虫、細菌、及びウイルスなどを含む。「原虫」は、例えばクリプトスポリジウム及びジアルジアなどを含む。「細菌」は、例えば大腸菌、ブドウ球菌、コレラ菌、結核菌、及びピロリ菌などを含む。「ウイルス」は、例えばノロウイルス、アデノウイルス、腸管系ウイルス、及びトウガラシ微斑ウイルス（Pepper Mild Mottle Virus:ＰＭＭｏＶ）などを含む。
【0034】
図１は、本開示の一実施形態に係る採水システム１の概略構成図である。図１を参照しながら、一実施形態に係る採水システム１の構成及び機能について主に説明する。図１において、構成部同士を結ぶ実線は流体の経路を示し、構成部同士を結ぶ破線は電気信号の経路を示す。
【0035】
採水システム１は、例えば水処理インフラにおける処理水などを試料水として採水及び保管するために用いられるシステムである。採水システム１により試料水として採水される流体は、例えば水処理インフラの一部を構成する配管２を一方向に流れる。例えば、このような流体の水質は、時間によって変化するとする。配管２は、水処理インフラにおいて主要な流路を構成してもよいし、主要な流路から分岐したバイパス流路を構成してもよい。
【0036】
採水システム１は、配管２の側面に取り付けられる着脱式のバルブ３を有する。配管２を一方向に流れる流体の一部は、配管２におけるバルブ３の設置個所を採水点として採水される。採水システム１は、採水容器４及び流路５を有する。流路５は、着脱式のバルブ３から採水容器４まで連続して配置される送液管によって構成される。流路５には、採水点から流入した試料水が流れる。採水容器４は、流路５において採水点と反対側に位置する端部５ａに配置され、流路５を流れてきた試料水を溜める。採水システム１では、配管２によって構成される流路から着脱式のバルブ３及び流路５を介して採水容器４へと試料水が採水される。
【0037】
図２は、図１の二点鎖線囲み部IIの構成をより具体的に示した構成図である。図２の流路５を構成する送液管５ｂは保冷構造を有してもよい。例えば、送液管５ｂは、二重構造の管壁の間を真空状態に維持した真空断熱構造を有してもよい。図２では一例として、採水容器４は容量可変でなく一定の容量で構成される。例えば、採水容器４は、ディスポーザブルのプラスチック容器を含んでもよい。採水システム１は、採水した試料水を冷却するための第１冷却装置１０及び第２冷却装置２０を有する。
【0038】
第２冷却装置２０は、例えば採水容器４を内部に収容して、採水容器４に溜まった試料水を冷却する。第２冷却装置２０は、採水容器４に溜まった試料水の温度を第１範囲に維持してもよい。すなわち、採水容器４に溜まった試料水は、第２冷却装置２０によって第１範囲内の温度に維持されながら第２冷却装置２０内で保管される。
【0039】
本明細書において、「第１範囲」は、例えば採水容器４に溜まった試料水の水質の劣化を抑制可能な温度範囲を含む。すなわち、第１範囲は、試料水に含まれる微生物及び酵素の活性を抑制して、捕食、被食、増殖、死滅、及び分解を抑制可能な温度範囲を含む。例えば、第１範囲は、１℃以上１０℃以下の温度範囲を含む。
【0040】
第２冷却装置２０は、遮光した状態で採水容器４を内部に収容する冷却庫を有してもよい。すなわち、このような冷却庫は、採水容器４に溜まった試料水に対する遮光機能と、採水容器４に溜まった試料水の温度を第１範囲に維持する保冷機能と、を併せて有してもよい。このような冷却庫は、内部に収容される採水容器４を取り換え可能に構成されてもよい。
【0041】
第１冷却装置１０は、流路５に沿って配置され、流路５を流れる試料水を冷却する。第１冷却装置１０は、流路５を流れる試料水が採水容器４に流入する前に試料水を適切な温度に調整する。例えば、第１冷却装置１０は、流路５の端部５ａに流れてきた試料水の温度が第１範囲に含まれるように試料水を冷却してもよい。第１冷却装置１０は、可能な限り採水容器４及び第２冷却装置２０に近い位置で流路５上に配置されてもよい。これにより、試料水は、第１冷却装置１０による冷却効果をより確実に維持したまま採水容器４へと流入することが可能となる。
【0042】
第１冷却装置１０は、流路５を構成する送液管５ｂに沿って配置され、かつ送液管５ｂを流れる試料水よりも低温の流体が流れる冷却管１１を含んでもよい。冷却管１１は、送液管５ｂの一部を外側から囲むように送液管５ｂに取り付けられてもよい。すなわち、送液管５ｂと冷却管１１とによって二重管式熱交換器が構成されてもよい。このとき、冷却管１１を流れる低温流体の流れの方向は、送液管５ｂを流れる高温流体としての試料水の流れの方向と逆であってもよい。すなわち、二重管式熱交換器において向流方式が用いられてもよい。
【0043】
図３は、送液管５ｂと冷却管１１とにより構成される二重管式熱交換器の、流路に沿った温度分布の一例を示すグラフ図である。図３に示すグラフ図では、一例として向流方式での温度分布の一例が示されている。図３において上のグラフは、流路５に沿った高温流体としての試料水の温度分布を示す。試料水は、当該グラフ上で例えば左から右に流れている。図３において下のグラフは、冷却管１１により構成される流路に沿った低温流体の温度分布を示す。低温流体は、当該グラフ上で例えば右から左に流れている。
【0044】
例えば、高温流体としての試料水から低温流体へと熱が移動することで第１冷却装置１０に沿った流路５上で試料水が冷却される。試料水の温度は、例えば温度Ｔ１から温度Ｔ２へと低下する。一方で、流路５に沿った冷却管１１を流れる低温流体は、流路５を流れる試料水から熱を受け取って加熱される。低温流体の温度は、例えば温度ｔ１から温度ｔ２へと上昇する。高温流体及び低温流体の質量流量（ｋｇ・ｓ－１）をそれぞれＭ及びｍとし、高温流体及び低温流体の比熱（Ｊ・ｋｇ－１・Ｋ－１）をそれぞれＣｐ及びｃｐとする。
【0045】
このとき、高温流体が失う熱流量（Ｗ）ＱＨ、低温流体が得る熱流量（Ｗ）ＱＬ、及び二重管式熱交換器における交換熱流量（Ｗ）Ｑは、それぞれ以下の式により算出される。
【0046】
【数1】
【0047】
ここで、Ｕは総括伝熱係数（Ｗ・ｍ－２・Ｋ－１）であり、Ａは伝熱面積（ｍ２）である。ΔＴｌｍは対数平均温度差（Ｋ）であり、以下の式で算出される。
【0048】
【数2】
【0049】
例えば、第１冷却装置１０によって冷却される前の試料水の平均水温Ｔ１を３０℃、第１冷却装置１０によって冷却された直後の目標水温Ｔ２を１０℃として、送液管５ｂ及び冷却管１１の径と長さとから求まる伝熱面積Ａに基づいて、低温流体の水温が検討される。又は、実用可能な低温流体の温度範囲から送液管５ｂ及び冷却管１１の長さが設計されてもよい。
【0050】
例えば、一日の採水量の目標値を１０００リットル（Ｌ）として、毎分０．７Ｌ程度の試料水が送液管５ｂを流れる場合を考える。例えば、二重管式熱交換器を用いて試料水を３０℃から１０℃へと一分かけて２０℃の冷却を試みる場合、送液管５ｂにおいて冷却管１１に沿った部分に設けられたアルミ製冷却部に試料水（比熱１．０Ｃａｌ／ｇ／℃、密度１．０ｇ／ｃｍ３）を一分かけて流下させると、試料水に対する以下の冷却能力を試算することができる。
比熱熱交換器負荷容量（ｋＷ）＝試料水の体積０．０００７（ｍ３）×試料水の比熱４．２（ｋＪ／ｋｇ／℃）×試料水の密度１０００（ｋｇ／ｍ３）×２０（℃）／６０（ｓｅｃ）＝０．９８（ｋＷ）
比熱熱交換器負荷容量（ｋＷ）＝試料水の体積０．０００７（ｍ３）×試料水の比熱４．２（ｋＪ／ｋｇ／℃）×試料水の密度１０００（ｋｇ／ｍ３）×２０（℃）／６０（ｓｅｃ）＝０．９８（ｋＷ）
【0051】
冷却能力は、約１ｋＷの比熱熱交換器負荷容量として試算される。したがって、第１冷却装置１０は、１ｋＷ又は例えば２０％の安全率を考慮して１．２ｋＷ程度の冷却能力を有してもよい。又は、試料水が冷却管１１に沿って送液管５ｂを流れる時間を６０秒から１２０秒に延長すれば、第１冷却装置１０の冷却能力を半分程度に低減することもできる。
【0052】
以上のような第１冷却装置１０によって、流路５上で第１冷却装置１０を通過した直後の試料水は、確実に１０℃以下に冷却される。加えて、流路５を構成する送液管５ｂが保冷構造を有することで、試料水は、流路５の端部５ａにおいても確実に１０℃以下に保冷される。さらに、採水容器４が第２冷却装置２０の内部に収容されることで、採水容器４に溜まった試料水は、採水容器４においても確実に１０℃以下に保冷される。
【0053】
再度図１を参照すると、採水システム１は制御装置３０を有してもよい。試料水は、流路５上でバルブ３と採水容器４との間に配置される制御装置３０によって採水容器４へと引き込まれる。後述するとおり、制御装置３０は、流路５を流れる試料水の流速が第２範囲に維持されるように流速を制御してもよい。制御装置３０は、試料水が流路５を１日にわたり常時流れるように流速を制御してもよい。
【0054】
図４は、図１の制御装置３０の概略構成を示す機能ブロック図である。図１及び図４を参照しながら、制御装置３０の構成及び機能について主に説明する。制御装置３０は、測定部３１、調整部３２、入力部３３、出力部３４、記憶部３５、及び制御部３６を有する。
【0055】
測定部３１は、流路５を流れる試料水の流量及び流速の少なくとも一方を測定する。測定部３１は、測定した情報を制御部３６に送信する。本明細書において、「流量」は、例えば流路５を構成する送液管５ｂを単位時間あたりに通過する試料水の体積を意味し、Ｌ／ｓｅｃ又はｍ３／ｓｅｃの単位で表される。「流速」は、例えば流路５を構成する送液管５ｂの断面積で流量を除算したものを意味し、ｍ／ｓｅｃの単位で表される。例えば、測定部３１は、流路５において調整部３２の下流側に配置され、かつ試料水の流量を測定する流量計３１ａを含む。これに限定されず、測定部３１は、流路５上に配置され、かつ試料水の流速を測定する流速計を含んでもよい。
【0056】
調整部３２は、制御部３６から受信した制御信号に基づいて、流路５を流れる試料水の流速を調整する。流路５を構成する送液管５ｂが同一のものであり内径が一定であれば、調整部３２は、流路５を流れる試料水の流速を調整することでその流量を調整することになる。例えば、調整部３２は、流路５において流量計３１ａの上流側に配置され、かつ試料水の流速を調整する送液ポンプ３２ａを含む。
【0057】
送液ポンプ３２ａは、流路５を流れる試料水を下流側に送液する。送液ポンプ３２ａは、例えば、軟質チューブをローラーでしごいて送液するペリスタポンプ（登録商標）であってもよいし、所定の試料水を送液可能な他の任意のポンプであってもよい。送液ポンプ３２ａの形式として、加圧及び吸引のいずれか一方が試料水の性質によって選択されてもよい。調整部３２は、試料水に応じて加圧及び吸引形式の送液ポンプ３２ａのいずれか一方に組み換え可能に構成されてもよい。
【0058】
入力部３３は、ユーザの入力操作を受け付けて、ユーザの操作に基づく入力情報を取得する１つ以上の入力インタフェースを含む。例えば、入力部３３は、物理キー、静電容量キー、出力部３４のディスプレイと一体的に設けられたタッチスクリーン、及び音声入力を受け付けるマイクなどを含むが、これらに限定されない。
【0059】
出力部３４は、ユーザに対して情報を出力する１つ以上の出力インタフェースを含む。例えば、出力部３４は、情報を画像で出力するディスプレイ、及び情報を音声で出力するスピーカなどを含むが、これらに限定されない。
【0060】
記憶部３５は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）、ＲＯＭ（Read-Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む任意の記憶モジュールを含む。記憶部３５は、例えば、主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部３５は、制御装置３０の動作に用いられる任意の情報を記憶する。例えば、記憶部３５は、システムプログラム及びアプリケーションプログラムなどを記憶する。記憶部３５は、制御装置３０に内蔵されるものに限定されず、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）などのデジタル入出力ポートによって接続される外付け型の記憶モジュールを含んでもよい。
【0061】
制御部３６は、１つ以上のプロセッサを含む。一実施形態において「プロセッサ」は、汎用のプロセッサ、又は特定の処理に特化した専用のプロセッサであるが、これらに限定されない。制御部３６は、制御装置３０を構成する各構成部と通信可能に接続され、制御装置３０全体の動作を制御する。
【0062】
制御部３６は、測定部３１により測定された試料水の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて調整部３２を制御する。より具体的には、制御部３６は、測定部３１から送信された測定に関する情報を受信する。制御部３６は、受信した測定に関する情報に基づいて調整部３２に制御信号を送信する。制御部３６は、流路５において試料水の流速が第２範囲に維持されるように調整部３２を制御する。
【0063】
より具体的には、制御部３６は、流量計３１ａにより測定された試料水の流量に基づいて送液ポンプ３２ａを制御する。制御部３６は、流量計３１ａから送信された流量の情報を受信する。制御部３６は、受信した流量の情報に基づいて送液ポンプ３２ａに制御信号を送信する。制御部３６は、流路５において試料水の流速が第２範囲に維持されるように送液ポンプ３２ａを制御する。すなわち、制御部３６は、送液ポンプ３２ａと流量計３１ａとを互いに関連させながら、流路５を流れる試料水の採水速度及び瞬時的な採水量を調整する。
【0064】
例えば、制御部３６は、あらかじめ取得した配管情報及び採水情報に基づいて第２範囲を算出してもよい。本明細書において、「配管情報」は、例えば流路５を構成する送液管５ｂの内径などを含む。「採水情報」は、採水期間、採水量の目標値、及び採水量に関する目標値からの許容範囲などを含む。
【0065】
本明細書において、「第２範囲」は、例えばあらかじめ設定された採水期間で設定された採水量の目標値に達するように流路５上で試料水を定常的に流すときの流速の範囲を含む。例えば、１日にわたり少量ずつ最大で１０００Ｌの採水量を達成したいとき、１秒あたりに必要となる平均的な流量が算出可能である。加えて、流路５を構成する送液管５ｂの内径に基づいて平均的な流速が算出可能である。例えば、第２範囲は、このような平均的な流速に対して、あらかじめ設定された採水量に関する目標値からの許容範囲に基づき定められる誤差の範囲として算出されてもよい。例えば、制御部３６は、試料水の流速が第２範囲に維持されながら、試料水が流路５を１日にわたり常時流れるように調整部３２を制御してもよい。
【0066】
例えば、制御部３６は、流路５における試料水の流速が第２範囲を下回りそうになった場合、配管２から採水容器４へと試料水を引き込む力を強めるために、調整部３２に含まれる送液ポンプ３２ａの動力を上げてもよい。例えば、制御部３６は、流路５における試料水の流速が第２範囲を上回りそうになった場合、配管２から採水容器４へと試料水を引き込む力を弱めるために、調整部３２に含まれる送液ポンプ３２ａの動力を下げてもよい。
【0067】
例えば図１において第１冷却装置１０を介さず配管２から流路５を経由して採水容器４に試料水が回収される場合、試料水に含まれる濁質及び沈殿物などにより、流路５を構成する送液管５ｂが閉塞される可能性がある。このような送液管５ｂの閉塞を抑制するために、流路５を流れる試料水の流速が１ｍ／ｓｅｃ以上となるように流路５を構成する送液管５ｂ及び調整部３２が設計されてもよい。例えば、流路５を構成する送液管５ｂの内径が１５ｍｍの場合、流速１ｍ／ｓｅｃに対応する流量は、約１７０ｍＬ／ｓｅｃ（約１０Ｌ／ｍｉｎ）である。したがって、一実施形態では、第２範囲は、１ｍ／ｓｅｃ以上の範囲に含まれてもよい。
【0068】
【0069】
ステップＳ１００では、制御装置３０の制御部３６は配管情報を取得する。例えば、このような配管情報は、ユーザにより入力部３３を用いて入力され、入力部３３から制御部３６へと送信されてもよい。
【0070】
ステップＳ１０１では、制御部３６は採水情報を取得する。例えば、このような採水情報は、ユーザにより入力部３３を用いて入力され、入力部３３から制御部３６へと送信されてもよい。
【0071】
ステップＳ１０２では、制御部３６は、ステップＳ１００において取得した配管情報及びステップＳ１０１において取得した採水情報に基づいて第２範囲を算出する。
【0072】
ステップＳ１０３では、制御部３６は、測定部３１を用いて流路５を流れる試料水の流量及び流速の少なくとも一方を測定する。
【0073】
ステップＳ１０４では、制御部３６は、ステップＳ１０３において測定された試料水の流量及び流速の少なくとも一方に基づいて流路５を流れる試料水の流速を制御する。制御部３６は、ステップＳ１０４において、試料水の流速がステップＳ１０２において算出した第２範囲に維持されるように調整部３２を制御する。
【0074】
以上のような一実施形態に係る採水システム１によれば、試料水を効率的に冷却して採水容器４に溜めることができる。例えば、採水システム１は、採水容器４に溜まった試料水を冷却する第２冷却装置２０に加えて、流路５を流れる試料水を冷却する第１冷却装置１０も有する。これにより、採水システム１は、第２冷却装置２０に収容された採水容器４に試料水が流入する前に、流路５上であらかじめ試料水を冷却することができる。流路５を構成する送液管５ｂのような細い管路を流れる試料水は流量が小さく、採水容器４に流入する前に短時間で効率良く冷却可能である。採水システム１は、流路５を流れる試料水を適切な水温まで急速に冷却することで、試料水の水質の劣化を抑制可能である。すなわち、採水システム１は、試料水に含まれる微生物及び酵素の活性を抑制して、捕食、被食、増殖、死滅、及び分解を抑制可能である。
【0075】
採水システム１は、第１冷却装置１０によって試料水をあらかじめ冷却することで、第２冷却装置２０が有する冷却庫内で試料水を冷却するときの冷却時間を短縮可能である。加えて、採水システム１は、第１冷却装置１０によって試料水をあらかじめ冷却することで、採水容器４の空き容量によって生じる冷却時間の差を小さくすることも可能である。
【0076】
第２冷却装置２０が採水容器４に溜まった試料水の温度を第１範囲に維持することで、採水システム１は、採水容器４に溜まった試料水の水質の劣化を最小限に抑制可能である。すなわち、採水システム１は、試料水に含まれる微生物及び酵素の活性を最小限に抑制して、捕食、被食、増殖、死滅、及び分解を最小限に抑制可能である。採水システム１は、第２冷却装置２０による保冷効果により適切な水温で採水容器４にて試料水を保管することが可能である。
【0077】
流路５の端部５ａに流れてきた試料水の温度が第１範囲に含まれるように第１冷却装置１０が試料水を冷却することで、採水システム１は、流路５における送液中に短時間で試料水を保管水温に調整することができる。これにより、採水システム１は、採水容器４に溜まった試料水を第１範囲よりも高い温度から第１範囲内の温度まで第２冷却装置２０により改めて冷却する必要がない。第２冷却装置２０は、採水容器４に溜まった試料水を保冷することができる程度の冷却能力を有していればよく、冷却装置としての構成を簡略化可能である。
【0078】
第１冷却装置１０が流路５を構成する送液管５ｂに沿って配置される冷却管１１を有することで、採水システム１は、二重管式熱交換器の原理によって流路５を流れる試料水を効率的に冷却可能である。このとき、送液管５ｂを流れる試料水が高温流体となり、冷却管１１を流れる流体が低温流体となる。採水システム１は、このような二重管式熱交換器において向流方式が用いられることで、熱交換率を向上させることができる。したがって、採水システム１は、採水容器４に流入する前に流路５上で試料水を短時間で効率良く冷却可能である。
【0079】
第２冷却装置２０が遮光した状態で採水容器４を内部に収容する冷却庫を有することで、採水システム１は、採水容器４に溜まった試料水に対する保冷効果を向上させることができる。加えて、採水システム１は、外部から入射する光によって生じる試料水の水質の劣化を抑制可能である。以上により、採水システム１は、温度を要因とする試料水の水質の劣化だけでなく光を要因とする試料水の水質の劣化も抑制可能である。
【0080】
冷却庫が、内部に収容される採水容器４を取り換え可能に構成されることで、採水者は、一の採水容器４において採水量の目標値に相当する試料水が溜まった時点で、当該一の採水容器４を他の採水容器４に容易に交換可能である。
【0081】
流路５を構成する送液管５ｂが保冷構造を有することで、採水システム１は、第１冷却装置１０によって冷却された試料水の水温を維持したまま第１冷却装置１０から採水容器４へと試料水を導くことができる。
【0082】
採水システム１は、試料水の水質変動の適切な把握に寄与することができる。例えば、採水システム１に含まれる制御装置３０は、流路５を流れる試料水の流速が第２範囲に維持されるように調整部３２を制御する。このような制御装置３０による制御によって、採水システム１は、試料水の流速及び流量を定常的に維持しながら長期にわたって採水処理を実行することができる。採水システム１は、試料水を少量ずつ定常的に採水しながら長期にわたって採水量の目標値を達成することも可能となる。
【0083】
したがって、採水システム１は、最悪又は最大の微生物学的負荷を含む試料水を漏れなく適切に回収することができる。採水システム１による上記のような採水方法によって、試料水の水質に関する突発的な変動を検出したり、ワーストケースを検出したりすることも可能となる。採水時に発生した水質の最悪条件が試料水に反映され、最悪の事態によってもたらされる質的リスクを逃さないことが可能となる。採水システム１は、目的とする流体全体の汚染状況を反映した、代表的サンプル及び平均的サンプルとして試料水を回収することができる。結果として、試料水の水質変動及び水処理システムの制御性能を適切に把握することが容易となる。
【0084】
例えば、採水システム１は、膜ろ過水、処理プロセス、ろ過して逆洗、及び処理プロセスの運転変更などに伴う物理的又は機械的な衝撃に伴う流体の水質への影響を捉えることに寄与することができる。採水システム１は、膜の破断を見逃さず、膜の膨張に伴う孔径の変動及び破断といった水質の品質保証に関わる管理にも用いることができる。
【0085】
採水システム１は、例えば１０００Ｌなどの大きな採水量を達成しつつ、クリプトスポリジウム及びジアルジアなどを含む原虫に限定されることなく、試料水の採水処理を実行することができる。
【0086】
測定部３１が流量計３１ａを含むことで、制御装置３０は、流速が第２範囲に維持されるように調整部３２を制御するときに、流量計３１ａにより測定された流量を参照しながら制御処理を実行することができる。
【0087】
調整部３２は、試料水の流速を調整する送液ポンプ３２ａを含むことも可能である。これにより、採水システム１は、流路５上でより大きな流速及び流量を達成することが可能である。したがって、試料水に含まれる濁質及び沈殿物などによる、流路５を構成する送液管５ｂの閉塞が抑制される。例えば、所定の範囲が１ｍ／ｓｅｃ以上の範囲に含まれることで、このような効果が顕著になる。採水システム１では、送液ポンプ３２ａを使用することにより、試料水を下流側に送るために十分な圧力を確保することも可能である。
【0088】
制御装置３０が、試料水が流路５を１日にわたり常時流れるように試料水の流速を制御することで、採水システム１は、バルブ３を介して得られた試料水を、例えば１日という所定期間ごとに採水容器４に回収することも可能となる。例えば、採水システム１は、試料水の所定期間ごとの採水を３６５日継続して、時間ごと、日ごと、及び月ごとなどの変動を長期的に評価するために用いることも可能である。採水システム１は、例えば２４時間の長時間にわたる試料水の連続的な採水においても、第１冷却装置１０及び第２冷却装置２０による冷却及び保冷効果によって、以後の解析が実施可能となるまで、試料水の水質の劣化を抑制可能である。採水システム１は、例えば２４時間の長時間にわたる試料水の連続的な採水においても、採水容器４に溜まった試料水に対する適切な保管条件を第１冷却装置１０及び第２冷却装置２０により維持可能である。
【0089】
バルブ３は、着脱式であることで、採水システム１による採水処理が実行されていないときに取り外して洗浄可能である。
【0090】
本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び改変を行うことが可能であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成又は各ステップに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成又はステップを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。
【0091】
例えば、本開示は、上述した制御装置３０の各機能を実現する処理内容を記述したプログラム又はプログラムを記録した記憶媒体としても実現し得る。本開示の範囲には、これらも包含されると理解されたい。
【0092】
例えば、上述した各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、上記の説明及び図面における図示の内容に限定されない。各構成部の形状、配置、向き、及び個数は、その機能を実現できるのであれば、任意に構成されてもよい。
【0093】
例えば、上述した一実施形態に係る採水システム１に基づいて、微生物の生死に関わらず、その存在個体数に基づいて汚染状況及び除去実態が把握されてもよい。
【0094】
採水システム１では、水道、食品、及び飲料水などを含む上記の様々な分野への応用を可能とするために、試料水の採水期間は可変であってもよい。採水のためのバルブ３の形状は可変であってよい。
【0095】
上記実施形態では、第１冷却装置１０は、流路５の端部５ａに流れてきた試料水の温度が第１範囲に含まれるように試料水を冷却すると説明したが、これに限定されない。流路５の端部５ａに流れてきた試料水の温度は第１範囲に含まれていなくてもよい。例えば、第１冷却装置１０は、流路５の端部５ａに流れてきた試料水の温度が第１範囲よりも若干高くなるように試料水を冷却してもよい。このとき、第２冷却装置２０は、採水容器４に溜まった試料水の温度が第１範囲まで下がるように試料水を改めて冷却してもよい。
【0096】
上記実施形態では、第１冷却装置１０は冷却管１１を有し、二重管式熱交換器の原理により流路５を流れる試料水を冷却すると説明したが、これに限定されない。第１冷却装置１０は、流路５を流れる試料水を冷却可能な任意の他の構成を有してもよい。例えば、第１冷却装置１０は、冷却管１１に代えて、又は加えてペルチェ素子を有してもよい。
【0097】
上記実施形態では、第２冷却装置２０は、遮光した状態で採水容器４を内部に収容する冷却庫を有すると説明したが、これに限定されない。第２冷却装置２０は、採水容器４に溜まった試料水を冷却可能な任意の態様で構成されてもよい。例えば、第２冷却装置２０は、遮光機能を有していなくてもよい。
【0098】
上記実施形態では、流路５を構成する送液管５ｂは保冷構造を有すると説明したが、これに限定されない。送液管５ｂは、採水システム１が試料水を効率的に冷却して採水容器４に溜めることができるのであれば、保冷構造を有さなくてもよい。
【0099】
図６は、図１の採水システム１の変形例を示す、図２に対応する構成図である。上記実施形態では、採水容器４は容量可変でなく一定の容量で構成されると説明したが、これに限定されない。採水容器４は、採水容器４に溜まった試料水の量に応じて容量可変に構成されてもよい。例えば、採水容器４は、容量可変のディスポーザブルバッグを外殻容器で梱包する、いわゆるバッグインボックス方式で構成されてもよい。採水容器４は、外殻容器内に滅菌済プラスチックバッグなどのディスポーザブル容器を配置することで構成されてもよい。
【0100】
採水容器４が容量可変に構成されることで、採水システム１は、採水容器４における空き容量を小さく維持し、かつ空き容量の変化も小さく維持することが可能となる。これにより、採水システム１は、採水容器４に溜まった試料水に対する第２冷却装置２０による保冷効率を向上させることができる。加えて、採水システム１は、外殻容器内にディスポーザブル容器を配置することで、採水ごとに新しい容器に交換して採水容器４として用いることができる。したがって、採水者は、採水に再度用いるために容器を洗浄するという手間を省くことが可能であり、かつ容器に残った過去の試料水の影響を考慮する必要がない。採水システム１は、処理前後の試料水交雑を抑制する仕様を実現する。
【0101】
採水容器４は、上記のようなディスポーザブルバッグに基づく構成に限定されず、複数回にわたり繰り返し使用可能な容器により構成されてもよい。すなわち、採水者は、採水システム１による試料水の採水が終了した後、採水容器４を洗浄して採水に再度用いてもよい。
【0102】
図７は、送液管５ｂと冷却管１１とにより構成される二重管式熱交換器の、流路に沿った温度分布の他の例を示すグラフ図である。上記実施形態では、図３を参照しながら二重管式熱交換器において向流方式が用いられると説明したが、これに限定されない。図７に示すとおり、二重管式熱交換器において並流方式が用いられてもよい。図７において上のグラフは、流路５に沿った高温流体としての試料水の温度分布を示す。試料水は、当該グラフ上で例えば左から右に流れている。図７において下のグラフは、冷却管１１により構成される流路に沿った低温流体の温度分布を示す。低温流体は、当該グラフ上で例えば左から右に流れている。このとき、上述したΔＴ１及びΔＴ２は以下のような式に置き換えられる。
【0103】
【0104】
上記実施形態では、制御装置３０の調整部３２は送液ポンプ３２ａを含むと説明したが、これに限定されない。調整部３２は、送液ポンプ３２ａに代えて絞り弁を含んでもよい。このとき、採水システム１では、採水速度が小さく、流路５に沈殿が生じる場合を想定している。より具体的には、流路５を流れる試料水の流速が１ｍ／ｓｅｃよりも小さくなる場合を想定している。このような絞り弁は、流量計３１ａと一体的に構成されてもよいし、流量計３１ａとは別部品として構成されてもよい。
【0105】
調整部３２が絞り弁を含むとき、調整部３２は、絞り弁に加えて、絞り弁を通過しない余剰の試料水を排水する排水流路を含んでもよい。また、制御装置３０は、図４に示す構成部に加えて洗浄部を有してもよい。洗浄部は、絞り弁及び排水流路よりも上流側の流路５を洗浄水によって洗浄する。洗浄部は、試料水に含まれる濁質及び沈殿物などによる、流路５を構成する送液管５ｂの閉塞を抑制する。
【符号の説明】
【0106】
１ 採水システム
２ 配管
３ バルブ
４ 採水容器
５ 流路
５ａ 端部
５ｂ 送液管
１０ 第１冷却装置
１１ 冷却管
２０ 第２冷却装置
３０ 制御装置
３１ 測定部
３１ａ 流量計
３２ 調整部
３２ａ 送液ポンプ
３３ 入力部
３４ 出力部
３５ 記憶部
３６ 制御部
２ 配管
３ バルブ
４ 採水容器
５ 流路
５ａ 端部
５ｂ 送液管
１０ 第１冷却装置
１１ 冷却管
２０ 第２冷却装置
３０ 制御装置
３１ 測定部
３１ａ 流量計
３２ 調整部
３２ａ 送液ポンプ
３３ 入力部
３４ 出力部
３５ 記憶部
３６ 制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】