[このシステムの目的] [で、結果は] [濾過システムの解説 [濾過槽] [給排水配管] [設計図面] [サイフォンの始動と調整方法]] [その後 [5年経過] [エアレーション追加] [さらに6年経過 [各部分のサイズを決める為のヒント] [水漏れせずに静音で長期間維持する調整に付いて] [排水ホースのバルブ形状]]]

自作サイフォン式オーバーフロー濾過システム

さらに6年経過」を追記しました。

このシステムの目的

これを作った目的は下記の問題を解決したかったからです。 このシステムに変える前は外部式濾過を使ってました。

  1. 結構頻繁に掃除をしないと給排水パイプとホースのコケが原因で流量が落ちて排水口に付けてるディフューザーのエアレーションが止まってしまう。
  2. 外部式の濾過槽は密閉されているので開け閉めが手間で掃除が大変。
  3. 給排水パイプを固定している吸盤がよく外れる。
  4. 今までヒーター無しでやってきたけどヒーターを入れたくなった。 でも超小型水槽で目立つので導入を諦めてた。
  5. ディフューザーに貝が挟まってエアレーションが止まってしまう事故が頻繁に起こる。 超小型水槽なのでエアーストーンとエアーホースを入れると目立つので入れたくない。 仕方なくディフューザーを使ってるけどそれすら邪魔。

で、結果は

こんな感じで見た目シンプルに出来ました*1。 (ライブカメラ)

水槽前面
水槽前面

これで上記の問題全てが解決出来ました。

  1. 給排水パイプを不透明の塩ビ間で作ったのでコケによる流量減の心配はなし。
  2. 濾過槽が上部開放型になったので掃除も簡単。
  3. 給排水パイプ両方共に吸盤固定ではなく水槽の壁面ガラスに引っ掛けて固定する仕様にしたので吸盤が外れる心配が無くなった。
  4. ヒーターを濾過槽内に設置出来るので水槽からはまったく見えない。
  5. エアレーションも濾過槽内に設置出来るので水槽からはまったく見えない。

他にも水深が水の蒸発と補給によって変化せず一定になったのは嬉しい。

給排水パイプが太いのは自作なので仕方がないですね。 前の状態でもディフーザー付きの給水パイプと稚エビ吸い込み防止目的のフィルター付き排水パイプがかなりの場所を占めたので占有面積的にはそんなに変わらない感じ。 写真で水槽全体を見ると目障りそうだけどこの水槽は背丈の低い水草とエビがメインなので大抵は底の方に視線が行くので意外と気にならない。

濾過システムの解説

システム全体
システム全体

水槽は18x12x22cmサイズの超小型で水量約4ℓ。 濾過槽は12cmキューブサイズで元々花瓶として売られていた物を流用。

水槽の下にあるのが濾過槽で、濾過槽内には給水汲み上げ用水中ポンプと濾過素材、ヒーターを設置してます。

濾過槽

濾過槽
濾過槽

水流が 水槽からの排水 → ヒーター → 濾過素材 → 水槽への給水ポンプ の順に流れるように排水出口の方向と給水口の位置を工夫して設置してます。 蒸発による水の減りを抑えるため蓋もしてます。 蓋は半透明の塩ビ板を切って曲げて自作しました。

給水用ポンプは Rio+ 180 を使ってます。 ただしそのまま直結で水槽へ給水すると水流が強すぎて水槽内が洗濯機状態になってしまうので給水の一部を途中で分岐して濾過槽へ戻す事で給水量を弱めてます。 濾過槽内に写ってるエアーチューブで分岐した水を戻してます。 この分岐部分は本来はディフューザー目的のパーツなんですがそれを水流分岐に流用してます。 バルブで絞るとポンプに負荷が掛かって動作音が大きくなりますがこの方法だと静かです。

生物濾過素材は セラ シポラックス を使ってます。 物理濾過は無しです。 有機物の汚れは濾過バクテリアの餌になる大事な活性汚泥なので除去しません。 放っておくと沈殿するので水槽内では底床に埋もれて目立たないし水草の肥料にもなる。 濾過槽内は目につかないので見た目も気になりません。

エアレーションはオーバーフローの落水にまかせて特にそれ用の器具は設置しません。 濾過槽の水面に写ってる気泡はオーバーフローに巻き込まれて排水パイプから出てきた空気です。

ヒーターは エヴァリス プリセット オートヒーター 10 を濾過バクテリアに温められた水が行くように水槽からの排水出口と濾過素材の間に設置してます。 これで濾過槽内でヒーターから一番離れた給水ポンプ給水位置で24℃をキープ出来ています。

給排水配管

給排水口
給排水口

左の上向きに開いてるのが排水口で右の下向きに開いてるのが給水口です。 濾過槽内のヒーターで温められた水を水槽の底に向かって給水して水面の水を排水する事で水槽全体の水温差を少なくしています。

排水口の網は稚エビの吸い込みと貝の進入防止用です。 見にくいけど給水口に付いてる網は停電時に逆流した時の浮き草吸い込み防止用です。 これらは園芸用の鉢底ネットを加工して作りました。

給排水配管
給排水配管

右の途中で分岐してぐるっと渦巻いてる配管は排水パイプで左の1本だけの配管は給水パイプです。

排水パイプの部分はこのページ(http://blogs.yahoo.co.jp/apiqa)で紹介されているダブルサイフォン式オーバーフローと呼ばれるシステムです。 普通のサイフォン式に比べて色々と特徴が有ってその一つにサイフォンブレークが起こりにくいってのがあるのでこれを利用させてもらってます。

配管は水道管規格で一番細い塩ビパイプの VP13 を使って作りました。

配管の設置を工夫してポンプの振動ノイズを聞こえないレベルまで無音化してます。 給水配管は給水ポンプの排水口に接続固定されているのみで水槽を含め他の部分には触れない用に設置してます。 給水ポンプはゴムの吸盤で濾過槽底面に触れているのみで壁面には触れないように離して設置してます。 さらに濾過槽は分厚いフェルト生地の上に設置しています。 排水配管も水槽の枠に引っ掛ける形で固定されていて濾過槽も含め他の部分には触れない用に設置してます。

設計図面

設計図面
設計図面

上は各パイプと継ぎ手の接続図で左中は水槽に設置する時の上から見たパイプの折りたたみ方、右下は濾過槽内の器具や濾過素材等の配置です。

接続図とパイプ折りたたみ図の青線は水槽の縁です。 パイプは折りたたんで q を a に差し込まれた形で設置するので接続図の左右の縁は同じ辺を表しています。

設計段階の図面なので各パーツのサイズが現物とは微妙に異なります。 実際に作る場合は現物合わせが必要です。

図面中の特に記載の無いパイプは VP13 で、記号 J, Js, Ls, Ts, V25, P13 はそれぞれ VP13用方ウチエルボ, VP13用方ウチエルボショート, VP13用エルボショート, VP13用チーズショート, VP13-VP25異径ソケット, 外径13mmのパイプ です。 ショートタイプの入手が困難な場合はロングタイプを切って作ると良いです。

p はバルブの代わりに内径の選択で排水量を調整します。 シリコンチューブが入手と加工がしやすいのでお勧めです。

濾過槽のポンプの上と左を囲っている青線は n から出てきた排水が ヒータ、フィルタ、ポンプ の順に流れるようにするための塩ビ版を曲げて作った整流板です。

サイフォンの始動と調整方法

初めて使う時はサイフォン管内を水で満たす必要があります。

  1. 設計図面の n を取り外して*2 水道水を溜めた容器にパイプ全体を沈めて空気を押し出し b から j までを水で満たす。
  2. b から j までの水が流れ出ないように e, f を上にして水から出して n を接続。 これ以降は e, f が上になる状態を保つ事。
  3. 飼育水を a の排水カップに注ぎ込んで管内の水を水道水から飼育水に入れ替える。
  4. b から j に空気が入らないようにそーっと水槽にセットして完了。

ポンプを回して n から気泡を含んだ水が排水されれば正常にダブルサイフォンが動作しています。 多少 e, f に空気が残っていてもダブルサイフォンが正常に機能していればいずれ空気は抜けます。

もし排水に気泡が含まれないなら「水量に対して p の内径が太すぎてそこから空気が逆流してしまい吸い出せない」か「n の長さが短すぎて負圧が足りない*4」のどちらかが原因だと思います。 調整してみてください。

e, f の空気が抜けきるまではポンプ停止状態からの再始動時のダブルサイフォン起動に時間が掛かります。 水が水槽から溢れるまでに起動が間に合わない場合は a の排水カップに大きなスポイト等を差し込んで勢いよく水を流し込む事で強制的にダブルサイフォンを起動させます。 一度空気が抜けきるとそれ以降はこの強制スタート作業無しで自動で再始動するようになります。

その後

5年経過

2011年11月に設置してから5年以上経ってますが、まだ当時作った物が現役で動いています。 メイン水槽のサイズが18x12x22cmから25x20x29cmに変わって水量が約3倍に、濾過槽も12cmキューブから15cmキューブへと約2倍へと変化しましたが、オーバーフロー配管は当時のままです。 配管本体は当時のままですが、給水口の生体吸い込み防止ネットと排水パイプ、排水量調節機構には改良を加えています。 改良点は下記、

生体吸い込み防止ネット:
網目だったのを縦スリットに変更。 網目だと細かすぎて表面張力で流れが悪く詰まりやすかったので、生体を吸い込まない範囲で流れを阻害しにくく詰まり難い形を試行錯誤して今の形になった。
生体吸い込み防止ネット
生体吸い込み防止ネット
排水パイプ:
設計図面の n を塩ビパイプからシリコンチューブへ変更。 これにより濾過槽の配置と形状の自由度が増して濾過槽のサイズ拡張が可能になった。 下記の排水量調節機構もこれにより可能になった。
排水パイプ
排水パイプ
排水量調節機構:
排水パイプの内径に合う外径のパイプを差し込んで調整していた(設計図面の p)のをシリコンチューブをネジで挟むタイプの調節器に変更。 これにより給水ポンプと配管の汚れ等による流量変化に合わせた細かい調整が可能になった。
排水量調節機構
排水量調節機構

エアレーション追加

水槽内に人工物を設置したくないって理由で、今までエアレーションはオーバーフローの落水に混じる気泡のみで濾過槽に対してしかやってなかったんだけど、給水配管内に設置する方法を思い付いたので生体水槽の方にも追加してみた。

思い付いた方法ってのは、配管を180°曲げるのにエルボを2つ使っていた内1つをチーズに変更して、そこにエアーストーン付きのエアーホースを突っ込んだだけ。 配管の内径13mmに対してエアーストーンの外径が10mmで3mmしか隙間が無いけど、水流が少ないので問題はなかった。 エアーストーン自身が水を通す材質って事も有ると思う。

給水配管内でエアレーション
給水配管内でエアレーション
変更前の撤去した給水配管
変更前の撤去した給水配管

水槽内にエアーストーンを設置すると気泡が弾ける音がうるさいんだけど、この方法だと大きな気泡はチーズ分岐で上に抜けて水槽内には入らず配管内で弾けるのでほぼ無音になって良い感じ。 炭酸飲料を開けた時の「シュワー」って程度の音しかしない。

水槽内のエアレーション状態 (細かい気泡が一杯なんだけど静止画だと上手く写らない)
水槽内のエアレーション状態 (細かい気泡が一杯なんだけど静止画だと上手く写らない)

水槽の蓋に気泡が弾けて水滴が付くように成ったのが欠点だけど、これは普通のエアーストーンを水槽内に設置する方法でも同じなので仕方がないのかなぁー。 コケが出なければ良いんだけど...

蓋に付く水滴
蓋に付く水滴

簡単な方法なのに他にやってるって情報が見当たらないので、何か大きな欠点が有るのかもしれない。

さらに6年経過

さらに性能アップとサイフォン管の小型化を目指して3Dプリンタで作り直した。 給水管も一体化して 高さ148mm, 幅35mm, 奥行き83mm の小型化に成功。 取り付けに必要な水槽蓋の切り欠きも右奥角を 35mm×13mm カットするだけ。 使用している水槽は 横幅25cm, 奥行き20cm, 高さ29cm。

給水ポンプは MaxiJet micro を流水量を絞らずに最大出力で使用。

排水口からダブルサイフォンで吸い出された空気の泡が出るのでエアーポンプが不要になり、ヒータを濾過槽内に設置しているので水槽内の人工物はサイフォン管のみになった。 濾過槽は15cmキューブ水槽を流用。

ダブルサイフォン通常動作中の濾過槽内の排水口(空気が吸い出されている様子が見える)
ダブルサイフォン通常動作中の濾過槽内の排水口(空気が吸い出されている様子が見える)

給水管一体型サイフォン管の外見。

サイフォン管を斜め前から見た図
サイフォン管を斜め前から見た図
サイフォン管を斜め後ろから見た図
サイフォン管を斜め後ろから見た図

給水管一体型サイフォン管の断面図。 内径9mmの配管を手前から奥に向かって 給水管、普通のサイフォン(排水)管、ダブルサイフォン(排水)管 の順番に3本通している。

サイフォン管の断面図
サイフォン管の断面図

生体吸い込み防止スリットは取り外して掃除しやすいように別パーツにした。 スリット幅は2mm。

生体吸い込み防止スリットを斜め前から見た図
生体吸い込み防止スリットを斜め前から見た図
生体吸い込み防止スリットを斜め後ろから見た図
生体吸い込み防止スリットを斜め後ろから見た図

各部分のサイズを決める為のヒント

サイフォン管の各部分のサイズの決め方に付いて解説します。 3Dプリンタに限らず水道管等、他の材料で作る場合でも考え方は同じです。 間違いがあるかもしれないので鵜呑みにせずに検証してから使ってください。 この記事を信じて何が起こっても保証はしません。

各部分のサイズ
各部分のサイズ
Aの長さ:
Aの長さで水面の高さ(水槽の上縁から水面までの距離)が決まる。 表面張力で水面が盛り上がる分(経験上5mm程度、生体吸い込み防止スリットを給水口に付ける場合は、もっと盛り上がる(スリットが2mmだと10mm程度))も考慮に入れてその分長くする。
Bの長さ:
給水ポンプ起動時に、落水カップ内の水位が黄色部分を超えるまでにダブルサイフォンが起動しない(赤色部分に水が吸い込まれない)場合は、Bの長さを伸ばす。 Bの長さ分の位置エネルギーが、青色部分から赤色部分に水を吸い込むパワーになる。
Cの長さ:
給水ポンプ停止時に、緑色部分に図の右側から空気が入ってサイフォンブレークする場合は、Cの長さを伸ばす。 Cが短すぎると、ポンプ停止時の反動による水面の揺れで緑色部分に空気が入ってしまう。
Dの長さ:
水槽に引っ掛ける部分。 水槽の壁厚ピッタリのサイズにすると毛細管現象で水漏れが発生するので、毛細管現象が途切れる程度の隙間(経験上3mm以上必要)が空くように水槽壁厚より長く設計する事。
黄色部分の体積:
給水ポンプ起動時に、ダブルサイフォンの起動により水位が下がり始まる前に落水カップ内の水位が黄色部分を超えてしまう場合は、黄色部分の体積を増やす。 黄色部分の体積が赤色部分の空気が抜けるまでの時間稼ぎになる。
青色部分と赤色部分の体積:
青色部分の体積は赤色部分より大きくする事。 青色部分の体積が赤色部分より小さいと、給水ポンプ停止時に緑色部分に図の左側から空気が入ってサイフォンブレークが発生する。
排水管の内径:
給水ポンプ起動時に、赤色部分の空気が抜け切った後も水位が上がり続ける場合は、給水量に対して排水能力不足。 排水管全体(赤色部分と緑色部分とそれ以降の濾過槽へ続くホースの出口までの排水経路)の内径を大きくして排水能力を上げるか給水量を減らす。

参考までに、3Dプリンタで作ったサイフォン管の各部分のサイズは以下の通りです。 小型水槽向けの小型で少ない流量でも動作する設計例です。

落水カップ部分:
内径31mmの四分円(90°開いた扇形)
排水管部分:
内径9mm
給水管部分:
内径9mm
Aの長さ:
27mm (2mmの生体吸い込み防止スリットを付けた状態で水面が水槽上縁から17mm下になった)
Bの長さ:
81mm
Cの長さ:
18mm
Dの長さ:
9mm (壁厚が5mmの水槽に取り付ける設計なので毛細管現象防止用の隙間は4mmになる)
黄色部分の体積:
54.343mL
青色部分の体積:
22.096mL (赤色部分の1.544倍)
赤色部分の体積:
14.314mL
排水ホース:
内径12mm 外径16mm
給水ホース:
内径12mm 外径16mm

水漏れせずに静音で長期間維持する調整に付いて

排水能力と給水量のバランス調整に付いて解説します。 こちらも、間違いがあるかもしれないので鵜呑みにせずに検証してから使ってください。 この記事を信じて何が起こっても保証はしません。

排水能力と給水量のバランス と 水漏れ発生、騒音発生 の関係は以下の図の通りです。 緑色部分、赤色部分 等の表記は 各部分のサイズ を参照ください。 排水能力はサイフォン管から濾過槽へ伸びる経路の途中にバルブを付けて調整します。 給水量は給水ポンプに水量調節機能があればそれを使う。 無ければ、排水能調整と同様に給水ポンプから水槽の給水口までの間にバルブを付けて調整します。 給水量の調整は給水ポンプに負荷が掛かるので、可能であれば給水量は全開にして排水能力側で調整する事をお進めします。

排水能力と給水量の関係
排水能力と給水量の関係

排水能力と給水量の関係 では [排水能力 = 給水量] の調整が一番良さそうに見えるけど、この調整はかなりシビアで配管やホースの汚れ等で簡単にバランスが崩れます。 この状態を再調整なしで長期間維持するのは難しいです。 もし [排水能力 < 給水量] 側に崩れた場合、水漏れに繋がるので危険で [排水能力 = 給水量] と [排水能力 < 給水量] は共に無音なので変化に気が付きにくく、気づいた時には床が水浸しって事になりかねません。

なので、排水能力が給水量より少しだけ上回る調整をお勧めします。 この調整だと雑音が発生するけど小さな音なのでほとんど気になりません。 この調整は [排水能力 = 給水量] ほどシビアでなく調整範囲が広いので長期間再調整なしで維持できます。 もし、バランスが崩れて [排水能力 = 給水量] になった場合には騒音が止まるので気が付きやすいのも利点です。

排水ホースのバルブ形状

排水能力はサイフォン管の排水ホースをバルブで絞って調整します。

効果的なバルブの絞り形状が判らなかったので、下写真の 左側の平らに絞った場合 と、右側の水滴型に絞った場合 で比較検証した。 流水部分の断面積が同じ場合、右の水滴型の方が消音効果が高い事が判った。 理由を説明出来ないのでこれが理論的に正しいかは不安(水滴型の方が空気が抜けやすい?)。

2パターンのバルブ形状
2パターンのバルブ形状

排水ホースの絞りに関してはもう一点注意すべき事が有って、ホースが詰まる=水漏れ発生 なので、バルブの絞りはサイフォン管給水口のスリット幅より広くしたい。 ホース詰まりの点からも同じ効果でも断面積が広い水滴型の方が良い。


*1比較対象の変更前の写真を撮り忘れました。
*2設計図面には描かれてないけど実物の n は m にプラグで繋がっていて取り外せるようにしています*3
*3給排水配管の排水パイプの一番下の部分がそれ。
*4位置エネルギーで負圧を作る為。
Copyright © 2022 Yuichi Kobayashi <kobayasy@kobayasy.com>
ダブルサイフォン式オーバフローに関しては apiqa さんが特許を取得されています