(57)【要約】黄金分割又はファイ幾何学（Ｐｈｉｇｅｏｍｅｔｒｙ）に基づいて設計されたインペラ（３４）により生じた、流体（３１）内の渦環（３６）を確立し、維持することにより、塊（３１）内に循環が発生する流体循環システム。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体塊内の循環を、該流体内で渦環を確立し、維持することにより発生させる、流体循環システム。
【請求項２】
前記循環は前記流体内に位置するインペラの回転により発生する、請求項１に記載の流体循環システム。
【請求項３】
前記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学（Ｐｈｉ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）に基づいて設計される、請求項２に記載の流体循環システム。
【請求項４】
前記インペラは実質的に巻貝又は他の貝殻の黄金分割のような中央部又は部分に基づいて設計される、請求項２に記載の流体循環システム。
【請求項５】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗、中心部又は他の部分内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項２〜４のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項６】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項２〜５のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項７】
前記作用面はＸ軸に沿って、Ｙ軸に沿って、又はＺ軸に沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項６に記載の流体循環システム。
【請求項８】
前記作用面は前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの２つに沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項７に記載の流体循環システム。
【請求項９】
前記作用面は前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項６に記載の流体循環システム。
【請求項１０】
前記流体塊は、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられ得る実質的に円筒状のタンク内の液体塊を含み、前記インペラは、該タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように該液体内に配置される、請求項２〜９のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項１１】
複数の渦が前記流体塊内に確立される、請求項２〜１０のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項１２】
タンク又はリザーバ内に収容された液体塊の混合システムであって、該システムはインペラを含み、該インペラは該液体内に配置され、該液体の循環を渦環の形態で発生させる、混合システム。
【請求項１３】
前記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計される、請求項１２に記載の混合システム。
【請求項１４】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項１２又は１３のいずれかに記載の混合システム。
【請求項１５】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の混合システム。
【請求項１６】
前記インペラは実質的に水平方向に取付けられる、請求項１２〜１５のいずれか１つに記載の混合システム。
【請求項１７】
前記タンク又はリザーバは、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられた実質的に円筒状のタンクであって、該タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転する、タンクを含む、請求項１２１〜１６のいずれか１つに記載の混合システム。
【請求項１８】
前記タンクの底部は湾曲している、請求項１７に記載の混合システム。
【請求項１９】
前記円筒状のタンクの底部は球形曲面である、請求項１８に記載の混合システム。
【請求項２０】
水のリザーバ用に適応した水浄化システムであって、該水浄化システムは該水内で回転することにより該水の循環を渦環の形態で確立するように適応したインペラを含んでいる、水浄化システム。
【請求項２１】
前記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計される、請求項２０に記載の水浄化システム。
【請求項２２】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項２０又は２１のいずれかに記載の水浄化システム。
【請求項２３】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項２０〜２２のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２４】
前記インペラの回転軸は上向きに配置される、請求項２０８〜２３のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２５】
前記インペラの回転軸は実質的に垂直方向である、請求項２４に記載の水浄化システム。
【請求項２６】
前記水のリザーバは配管網給水（ｒｅｔｉｃｕｌａｔｅｄ  ｓｕｐｐｌｙ）に関連付けられた貯水塔であり、前記水の循環は前記水体内の層形成を中断又は妨げるように適応している、請求項２０〜２５のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２７】
前記水のリザーバは池であり、前記水の循環は前記水体全体の曝気を促進するように適応している、請求項２０〜２５のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２８】
前記水は複数の渦環により循環される、請求項２０〜２７のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体力学の分野に関し、より詳細には、流体塊内の循環に関する。より詳細には、本発明は、改良された流体塊内の循環システムを提供しようと努める。
【背景技術】
【０００２】
流体塊内で循環を発生させることが好ましい用途が多く存在する。循環を起こすことの共通の理由は、混合することにより、層化を防ぎ、流体塊を曝気することである。これらの例は本明細書内で後述する。
【０００３】
所望の循環を発生させるために多数の方法が考案されてきた。１つの例では、液体の場合、通常、垂直方向に中心軸を有する円筒状のタンク内に液体塊を保持し、モータにより駆動されるインペラの作用によりタンク内の液体を移動させる。液体塊を回転させるために他にも多くの手段が考案されてきた。それにもかかわらず、これらの技術は、多量のエネルギー消費を必要とし、付随する問題の原因となることが多い。これらの非効率性及び問題の多くは、このようなシステムが自然界に見られる自然な流れの傾向に従って流体を循環させるように設計されていないために生じる。
【０００４】
自然界では、流体流は本質的に乱流又は渦状である。渦環は、スライドするのではなく、断面方向において車輪のように回転する。著名な流体力学者であるレイノルズはかつて、渦環に関して、「自然は滑動よりも回転することを好む」と述べている。
【０００５】
この特徴こそが渦環の効率性に大きく寄与している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、特に、流体塊内において、渦及び好ましくは、単一又は複数の渦環の形態で流体の循環を発生させるように設計される。
【０００７】
従って、本発明は、流体内で渦を確立し、維持することにより、流体塊内に循環が発生する流体循環システムに存する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記流体の循環は上記流体内の単一又は複数の渦環の形態である。
【０００９】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記循環は上記流体内に位置するインペラの回転により発生する。
【００１０】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計される。
【００１１】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは実質的に巻貝又は他の貝殻の黄金分割のような中央部又は部分に基づいて設計される。
【００１２】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラの形態は上記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する。
【００１３】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは上記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える。
【００１４】
１つの好適な実施形態によると、上記作用面はＸ軸に沿って、Ｙ軸に沿って、又はＺ軸に沿って上記黄金分割と実質的に一致する。１つの好適な実施形態によると、上記作用面は上記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの２つに沿って上記黄金分割と実質的に一致する。１つの好適な実施形態によると、上記作用面は上記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って上記黄金分割と実質的に一致する。
【００１５】
１つの好適な実施形態によると、上記流体塊は、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられ得る実質的に円筒状のタンク内の液体塊を含み、上記インペラは、上記タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように上記液体内に配置される。
【００１６】
さらなる１つの局面によると、本発明は、タンク内に収容された液体塊の混合システムであって、上記システムは上述したタイプのインペラを含み、上記インペラは上記液体内に配置され、上記タンク内で上記液体の循環を発生させる、混合システムに存する。１つの好適な実施形態によると、上記タンクは実質的に円筒状であり、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられており、上記インペラは上記タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように向けられ、渦環の形態で上記液体の循環を発生させる。
【００１７】
１つの好適な実施形態によると、上記インペラは実質的に水平方向に取付けられてもよい。
【００１８】
１つの好適な実施形態によると、上記円筒状のタンクの底部は湾曲している。
【００１９】
１つの好適な実施形態によると、上記円筒状のタンクの底部は球形曲面である。
【００２０】
１つの好適な実施形態によると、上記タンクは円筒状以外であってもよい。
【００２１】
さらなる１つの局面によると、本発明は、水のリザーバ用に適応した水浄化システムであって、上記水浄化システムは上記水内で回転することにより上記水の循環を渦環の形態で確立するように適応した前述したタイプのインペラを含んでいる、水浄化システムに存する。
【００２２】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラの回転軸は上向きに配置される。
【００２３】
１つの好適な特徴によると、上記インペラの回転軸は実質的に垂直方向である。
【００２４】
１つの好適な実施形態によると、上記水のリザーバは配管網給水に関連付けられた貯水塔であり、上記水の循環は上記水体内の層形成を中断又は妨げるように適応している。
【００２５】
１つの好適な実施形態によると、上記水のリザーバは池であり、上記水の循環は上記水体全体の曝気を促進するように適応している。
【００２６】
１つの好適な実施形態によると、上記流体の塊は気体である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明は、以下のいくつかの特定の実施形態の説明により、より完全に理解される。
【００２８】
本出願人は、米国特許第５，９３４，８７７号他となった国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００４２７（ＷＯ９７／０３２９１）、ＰＣＴ／ＡＵ００／０１４３８（ＷＯ０１／３８６９７）及びＰＣＴ／ＡＵ０３／００００２（ＷＯ０３／０５６１３９）の自然原理に基づいて設計されたロータを以前に開示している。これらの明細書に記載された各実施形態のロータは、一般に、全ての点において、実質的に黄金分割、又は巻貝もしくは他の貝殻の黄金分割のような中央部もしくは部分に基づいて設計されているため、少なくとも概ね黄金分割の特徴に従う螺旋形状の流体経路をロータが提供することが各実施形態の特徴である。これらの明細書に開示されたロータは、ポンプ、タービン、ファン、プロペラ等での使用に適すると想定されるが、少なくとも特定の実施形態では、流体塊内の特定の位置での回転が可能であり、その場合には、流体が循環させられた後短時間で、循環が渦環の形態を取ることが分かっている。
【００２９】
渦環は興味深い特性を有するメカニズムであり、一例を図１に概略的に示す。自由環境では、渦環１１はドーナツ型をしており、中央漏斗状領域１２を有する。渦線１３は渦環内の流体流のイメージを示そうとするものであるが、二次元的表現では不可能であることを理解されたい。煙の輪は渦環の一例である。渦環は、一旦確立すると、渦環を際限なく維持するためのエネルギーの投入をほとんど必要としない。また、流体流が外周部で最も遅くなる流れ構造を有する。第３に、その特異な多方向に向けた流れのため、流体の混合には非常に有効かつ効率的である。下記で説明する実施形態では、これらの特性が利用される。
【００３０】
また、共振点に達することができ、エネルギーを蓄積することができるため、渦環を維持するために必要なエネルギーの投入を時間とともに低減し得る。
【００３１】
本発明の各実施形態は、流体塊内で、渦環の流路に沿った循環を誘発するシステムを含む。渦環は、自然界では、好ましい最も一般的かつ最も効率的な循環流体流である。他の流れのパターンと比較して、非常に効率的であり、上述したように、いくつかの有利な特性を有するメカニズムである。
【００３２】
一旦得られると、その慣性は、全てが本質的に半径方向の層状流路である同じ運動の幾何学を共有する、液体流場及びインペラを含む「フローデバイス(flow device)」の一体化した部分となる。
【００３３】
多数の異なる方法で、塊を渦環として循環させることは可能であるが、本出願人が上述した先出願において開示した原理に基づいて設計され、黄金分割に基づいて設計された表面を有するインペラによって循環させられることが実施形態の共通した特徴である。そのようなインペラの特徴は、インペラを形成する表面の湾曲が「黄金分割」の特徴と実質的に一致する二次元又は三次元の形態を取り、断面領域におけるいずれの変化も「黄金分割」の特徴と実質的に一致することである。
【００３４】
特に適していると思われるインペラの例を図２ａ及び図２ｂに示す。これらでは、インペラは渦巻きの形態で設計されており、「黄金分割」のヘリカル構成と実質的に一致するヘリカル構成を有し、かつ作用面２３及び２４を備えたツインベーン２２を有し、中心シャフト２５上に支持され、モータによって駆動されるように適応したインペラ２１を含む。これらのインペラのベーンの構成は、渦環の中央、すなわち、「漏斗」部の渦度線と対応しており、このことが、そのようなインペラを渦環の生成に有効なものにする。なお、実質的に黄金分割に基づいて構成された作用面を備えた単一のベーン又は複数のベーンを有するインペラ等、代替的なインペラの構成も用いることができることに留意されたい。これらの作用面は、Ｘ軸に沿って、Ｙ軸に沿って、Z軸に沿って、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの２つに沿って、又はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って黄金分割と実質的に一致し得る。
【００３５】
最初にインペラが流体塊内で回転させられると、流体に対する軸流及び回転流の両方を誘発する。インペラはまず、流体塊が最初は静止しているため、大きな乱流を生成する。しかしながら、インペラが少しの間動作すると、図３に概略的に示すように、流体は循環させられる。インペラは流体の自然な流れに従うように設計されているため、流体塊が加速するにつれて、インペラによって投入されるエネルギーが漸次的に高い割合で、乱流ではなく、運動エネルギーとして流体に伝わり、それによって、流体は、自然な流れ方、すなわち、渦環の形態で流される。一旦渦環が十分に確立すると、インペラは、広範な動作速度にわたって、キャビテーションを生じる傾向をほとんど又は全く示さない。これは、設計レベルより上の速度での動作が急速にキャビテーションに繋がる従来のインペラとは対照的である。
【００３６】
図４に概略的に示す本発明の第１の実施形態では、円筒状タンク３２内に保持された液体塊３１が描かれており、タンク３２は中心軸が垂直方向に向けられている。タンク３２内には、インペラ３４を有する水中モータ３３が取付けられており、モータ及びインペラの軸はタンク３２の中心軸と実質的に同軸に位置合わせされている。モータ３３はタンク３５の底部に首尾よく取付けることができる。上述したように、インペラ３４は、図２ａ又は図２ｂに示すように、その作用面が黄金分割と一致するように設計される。上記したように、インペラ３４の動作により、流体が渦環として、流動線３６に示すように循環する。液体３１が均一に混合されなければならない混合物である場合、そのような混合は効率的に行われる。
【００３７】
本システムの利点は、同様の構成の従来の混合システムと比較することによって、より良く理解される。そのようなシステムはまた、インペラを駆動するモータを有する円筒状のタンクを用いる。しかしながら、そのようなシステムのインペラは、液体塊をタンクの中心軸の周りを回転させるように設計される。これは、結果として、多数の問題を生じる。
【００３８】
そのようなシステムでは、液体流の速度は、液体塊の外周部、すなわち、タンクの壁部で最大となる。結果として、壁部に対して液体を動かすことによる摩擦損失により、多くのエネルギーが費やされる。対照的に、渦環では、液体流の速度は、外周部、すなわち、タンク壁部で最小になり、摩擦損失は最小限に抑えられる。また、従来のシステムでの回転流の結果、外周部では、「遠心」力の結果として、水が壁部を「上る」傾向がある。実施形態の場合のように、流体流が渦環に従う場合、水面レベルは、外縁では、実質的に一定のままである。なお、両方の場合において、水位が中央で下がるが、関連する流体力学が全く異なることに留意されたい。少なくとも比較的に小さいタンクでは、一旦渦環が確立し、過剰な力が投入されると、液体の表面の周辺を循環する回転波を確立することができることに留意されたい。この波動運動の流体力学はまだ完全には理解されていないが、液体自体ではなく、波が回転することが認識されるべきである。さらに、従来のシステムでは、混合は非効率である。そのようなシステムでは、一旦回転運動が確立すると、液体は、液体内に相対的な運動がほとんどない状態で、車輪のように固定された塊のように回転する傾向がある。これは、固体回転（ｓｏｌｉｄ  ｂｏｄｙ  ｒｏｔａｔｉｏｎ）として知られている。混合は、比較的に長時間継続される必要がある。対照的に、相対的な流体の運動は渦環に内在し、混合時間は最小限に抑えられる。
【００３９】
従来の混合プロセスを開始するには、大きな力を必要とした。これに応じてモータのサイズを合わせる必要がある。特定の化学的及び製薬上の混合プロセスでは、約１ヶ月程度の長期間にわたって、大量のバッチの材料（ｌａｒｇｅ  ｂａｔｃｈｅｓ  ｏｆ  ｍａｔｅｒｉａｌ）を混合することが必要である。混合が終了する前に、例えば、電力不足によりプロセスが中止された場合、起動慣性（ｓｔａｒｔ‐ｕｐ  ｉｎｅｒｔｉａ）が制限されるため、プロセスを再開することが不可能である場合があることが分かった。モータは再開するための十分な力がないため、バッチ全体（ｗｈｏｌｅ  ｂａｔｃｈ）を廃棄しなければならない。他の代替案としては、伝統的に、より大きなモータを第一に組み込むことである。これは、明らかに、経済的損失を大きくするという結果を生じる。対照的に、本発明による混合は、起動に過剰な力を必要としない。渦環は、エネルギーリザーバである。エネルギーが加えられると、渦環内に蓄えられる。それゆえ、起動時には、システム内の損失として浪費されるエネルギーが投入されているエネルギーと同等になるレベルで渦環が機能するまで、エネルギーは徐々に加えられる。
【００４０】
明確には、いずれの現実のシステムにおいても、いくらかの損失は存在する。タンクが円筒状である実施形態の単純な例では、床部と壁部の間の急激な変化のために、いくらかの損失が発生することが考えられる。そのような損失は、平坦な底部ではなく、球形曲面のような湾曲した底部をタンクに設けることにより低減されると考えられる。それでも、標準的な円筒状のタンク内であっても、有効な渦環を効率よく確立することは可能である。実際、円筒状ではない、非常に不規則な形状のタンクであっても、流体流を渦環の形態で確立することは全く可能である。
【００４１】
システムに固有の特徴は、液体が中央で上昇したとしても下降したとしても、渦環内部の流れの方向が逆転するだけであって、渦環は確立するということである。上記２つのうち特定の１方向の流れがわずかに有利である用途がいくつか存在し得ると考えられる。
【００４２】
また、特に、インペラを底部と液体面との間に適切に配置することによりパフォーマンスが改善される比較的に浅いタンクでの用途があると考えられる。
【００４３】
図５に示すような第２の実施形態では、都市給水用の水道配管網システム（ｗａｔｅｒ  ｒｅｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ）で用いられるタイプの貯水塔用の水道浄化システムが提供される。貯水塔は、ピーク需要時に十分な給水を所望の圧力で提供するための手段として、水道当局により広く用いられている。ピーク時以外の期間は、水はポンプ場により汲み出され、その水の一部が需要を満たし、一部が高架貯水塔に汲み出される。ピーク時には、需要がポンプシステムの容量を超えると、貯水塔からさらなる給水が得られる。そのような塔では、水が貯水槽の床部又はその近くに接続される同じパイプを介して出し入れされることは通常の設計である。しかしながら、これは問題に繋がる。ほぼ１年を通して、タンクに加えられ、タンクから出される水の量は、総容量のわずか一部にしかすぎない。少なくとも暖かい月には、給水によって提供される水の温度よりも高く水が暖められることが普通である。そのような時期にタンクに加えられる水はタンクの底部に加えられ、タンク内の全体的な水体よりも冷たいため、タンクの底部付近に留まる。水がタンクから取り出されるときに、最初に取り出されるのはタンクの底部にある冷たい水である。結果として、水体の層化が起こり、タンクの上部にある水は循環されることがなく、下部の水の場合と同様に、出されることも新鮮な水と置き換えられることもない。このよどみにより、上部の水が汚染されるという結果になる。そのような汚染を防ぐために、給水当局は、比較的に高価で水質の観点からは好ましくない化学薬品を加えることが必要であると考えた。代替的に、ポンプ又は櫂型撹拌機を用いることができるが、一次的な渦環の代わりに乱流を生成するため、本発明よりもはるかに非効率である。
【００４４】
第２の実施形態によると、第１の実施形態に関して説明した、適切なモータにより駆動されるタイプのインペラ４２は、貯水塔４１内の中央に配置され、インペラ４２及びモータの回転軸は垂直方向に位置合わせされている。インペラ４２は、水位が低いときにも問題なく動作できるように、水体内の比較的に低い位置に配置されてもよい。水位検知器４３はモータの回路内に設けられ、貯水塔４１内の水位が過度に低く低下したときにモータを絶縁し、それによりインペラ４２が水に覆われていないときにモータが動作することを防ぐ。インペラ４２が動作した結果、渦環が水体内で確立し、非常に低い消費電力レベルで貯水塔内に保持された水を確実に循環させる。この循環により、水の層化が妨げられるか又は分散される。渦環の効率性の結果、実質的に黄金分割に基づいて設計されたインペラでは、２０ワット〜１００ワットの範囲の力のモータが大半の貯水塔にとって十分であると予想される。そのようなモータを動作させる費用は、化学薬品を加えて汚染を制御するコストよりもはるかに少ない。使用電力が低いため、太陽電力が１つの経済的なオプションとなる。
【００４５】
図６に示すような第３の実施形態では、都市の公園で見られるような池のための水浄化及び／又は保全システムが提供される。そのような池が、曝気が無いために、魚及び好気性の植物の死、並びに不快なカビ、菌類、ボツリヌス中毒及び蚊の増殖が助長された結果汚染されることは周知である。静水池では、水の層化が起こり、冷たい水が底に留まり、より温かい水は上部に存在するため、問題を際立たせる。曝気又は他の手段により汚染を低減する試みは、わずかに部分的に有効であったが、それは、水を十分には循環させず、よどんだ低層部に圧縮された空気を拡散することに依存しているためである。この拡散は、層化が原因でそれほどの成果がない。
【００４６】
第３の実施形態では、第１の実施形態について説明されたタイプのインペラ５３を駆動する小型モータ５２を池５１に設けている。モータ５２は、その軸を垂直方向にして、池５１のほぼ中央に位置し、インペラ５３は、池の水にある程度水没させている。水の循環は、モータ５２を継続して運転することによって確立する。そうすることで、しばらくの後に、流体流が渦環のパターンを取るようになる。結果として、池の水が循環し、池５１の水体全体を混合する。この循環により層化が無くなり、結果的に、曝気された表面層が継続して他の全ての水と混合されることにより、水体全体を曝気する。この実施形態により示されたこれらの利点は、超小型の相対的なサイズのモータにより実現される。テストでは、ほぼ１エーカー（１７００万ガロン）の表面積を有する池の再生が、４０ワットのモータの動作により２週間以内に達成された。この池を健康な状態に維持するために必要とされる電力はより低いと考えられる。この電力が幹線から供給される場合、電気コストは年間５０ドル未満であり、化学処理を適用する場合よりもはるかに低く、かつより有効である。さらに、循環が池全体に影響する一方、渦環内の流体流の性質により、池の外周部の流れは非常に遅くなり、実際には、裸眼ではほぼ感知できなくなる。よって、この流体の循環が池の周囲で侵食の問題を生じることはない。
【００４７】
代替的なテストでは、１／２エーカー、深さ１６フィート、１００万ガロンの給水リザーバが、２４ワットのモータを用いて２０時間、十分に混合された。
【００４８】
第３の実施形態の１つの適応例では、モータ及びインペラのアセンブリが、モータを駆動する電力を提供する光電パネルを支持するスタンドに取付けることができる。この構成は、バッテリと組み合わせることにより継続的な流れを提供することができる。あるいは、インペラを断続的に、モータを駆動する十分な日光が存在するときにのみ動作させることにより、多くの環境において、水が良好な品質レベルに維持されることが考えられる。この構成により、大規模な水体の中央にある設備へ幹線から電力供給を行なう必要がなくなる。
【００４９】
第３の実施形態の他の適応例では、モータ、インペラ及び光電パネルが、浮遊装置により支持され、アセンブリ全体が適切な係留装置により池床に固定される。このような構成は、池床からアセンブリを支持することが実際的でない比較的に深い池、又は水位が大きく変動する池に適している。
【００５０】
なお、上記実施形態の場合、インペラが池に対して、又はタンクもしくは貯水塔の垂直軸に対して中央に位置するときに最高のパフォーマンスが達成されると予想することができるが、上記システムは、それぞれの中央機構から渦環の漏斗部分が大きく離れて配置されているときにも効率的に動作することが分かっていることに留意されたい。
【００５１】
第３の実施形態の種々の形態では、多くの池が非常に不規則な平面形状を有することが認識される。実際、池が比較的に狭いチャネルで繋がれた２つ以上の主要な小池を含む得る場合がある。これらの状況では、１つより多くの渦を確立するように配置された１つより多くのインペラを動作させることが適切であり得ることが認識される。そのような状態では、適切な回転を有する渦を生成することにより、渦が確実に協働することが重要である。
【００５２】
第３の実施形態のさらなる用途は養魚場に関する。漏斗領域の近傍を除く、池の大半にわたって水の速度が比較的に低い一方で、高度な循環及び曝気を提供することで上記実施形態を魚の養殖に理想的な環境にする。興味深いことに、魚が特に労することなく渦環の漏斗部分を通過することが観察された。
【００５３】
インペラは、入口から出口に向けて対数的に広がり、それにより以下の独特な利益をもたらす：魚及び他の生物を傷つけることがなく、他の従来の装置のように容易に水草又はプラスティックで汚染されることがない。
【００５４】
第３の実施形態で例示したような流体塊の徹底した循環及び優れた曝気はまた、上記プロセスを汚水処理施設に最適なものにする。上述した各実施形態において、インペラがより速い速度で回転する場合、液体運動の中心に渦状の真空の管を生成する。この管から空気をインペラへ引き出し、液体全体に空気を効率的かつ均一に強力に分散させる。これは、液体を曝気する非常に安価な方法であり、特に下水処理、養魚場、及び多くの産業用途に関連性を有する。
【００５５】
上述した種々の実施形態では、渦環の高さ及び幅がインペラの食違角を調節することにより制御できることが分かっている。
【００５６】
特定の用途では、実質的な水平軸の周りを回転するようにインペラを配置することにより渦環を発生させることが好ましいことが分かっている。実際、渦環は、インペラの軸を垂直及び水平の中間的な他の角度に向けて設定することができる。用途によって最適な角度が決定される。
【００５７】
上記実施形態は、本発明が適応し得る潜在的な用途のいくつかを特定している。渦環を利用することで、上記用途は、自然な流れのパターンを用いることで生じる利益を得る。なお、本発明の範囲が上述した実施形態の特定の範囲に限定される必要がないことを理解されたい。
【００５８】
本明細書全体にわたって、文脈上必要としない限り、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ」」という言葉又は「含み（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」又は「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等の変形は、明示された整数又は整数群を含むが、他のいずれの整数又は整数群も除外しないことを意味することが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
添付の図面を参照して説明を行なう。
【図１】図１は、渦環の概略図である。
【図２】ａは、実施形態で用いられる典型的なインペラの等角投影図である。
【図２】ｂは、図２ａに示す実施形態で用いられる典型的なインペラの代替例の側面図である。
【図３】は、実施形態に係る図２ａのインペラと流体塊との回転時の相互作用の概略図である。
【図４】は、第１の実施形態に係る図２ａのインペラにより循環される液体のタンクの概略図である。
【図５】は、第２の実施形態に係る図２ａのインペラにより循環される貯水塔の概略図である。
【図６】は、第３の実施形態に係る図２ａのインペラにより循環される液体の池の概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
３１    液体塊
３２    円筒状タンク
３３    モータ
３４    インペラ
３５    タンク
３６    渦環
【図１】
2007509735.tif 000003
【図２ａ】
2007509735.tif 000004
【図２ｂ】
2007509735.tif 000005
【図３】
2007509735.tif 000006
【図４】
2007509735.tif 000007
【図５】
2007509735.tif 000008
【図６】
2007509735.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月1日(2005.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明は、特に、流体塊内において、渦、好ましくは、単一又は複数の渦環の形態で流体の循環を発生させるように設計される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
従って、本発明は、収容された流体塊に作用するように適応した流体循環システムであって、上記流体塊内に位置するインペラを含み、上記インペラは該インペラの回転により渦環として循環する上記流体塊の実質的に全体を確立し、維持することができるように形成される、流体循環システムに存する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記循環は上記流体内に位置するインペラの回転により発生する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計される。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは実質的に巻貝又は他の貝殻の黄金分割のような中央部又は部分に基づいて設計される。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラの形態は上記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の１つの好適な特徴によると、上記インペラは上記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
１つの好適な実施形態によると、上記作用面はＸ軸に沿って、Ｙ軸に沿って、又はＺ軸に沿って上記黄金分割と実質的に一致する。１つの好適な実施形態によると、上記作用面は上記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの２つに沿って上記黄金分割と実質的に一致する。１つの好適な実施形態によると、上記作用面は上記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って上記黄金分割と実質的に一致する。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
１つの好適な実施形態によると、上記流体塊は、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられた実質的に円筒状のタンク内の液体塊を含み、上記インペラは、上記タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように上記液体内に配置される。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
さらなる１つの局面によると、本発明は、タンク内に収容された液体塊の混合システムであって、上記システムは上述したタイプのインペラを含み、上記インペラは上記液体内に配置され、上記タンク内で上記液体の循環を渦環の形態で発生させる、混合システムに存する。１つの好適な実施形態によると、上記タンクは実質的に円筒状であり、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられており、上記インペラは上記タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように向けられる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
１つの好適な実施形態によると、上記インペラは実質的に水平方向に取付けられてもよい。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
１つの好適な実施形態によると、上記円筒状のタンクの底部は湾曲している。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
１つの好適な実施形態によると、上記円筒状のタンクの底部は球形曲面である。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
１つの好適な実施形態によると、上記タンクは円筒状以外であってもよい。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
さらなる１つの局面によると、本発明は、水のリザーバ用に適応した水浄化システムであって、上記水浄化システムは上記水内で回転することにより上記水の循環を渦環の形態で確立するように適応した前述したタイプのインペラを含む、水浄化システムに存する。
【手続補正書】
【提出日】平成18年1月19日(2006.1.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
収容された流体塊に作用するように適応した流体循環システムであって、前記インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計され、前記流体塊内に位置し、該インペラの回転により渦環として循環する前記流体塊の実質的に全体を確立し、維持することができるインペラを含む、流体循環システム。
【請求項２】
前記インペラは実質的に巻貝又は他の貝殻の黄金分割のような中央部又は部分に基づいて設計される、請求項１に記載の流体循環システム。
【請求項３】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗、中心部又は他の部分内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項１及び２のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項４】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項１、２及び３のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項５】
前記作用面はＸ軸に沿って、Ｙ軸に沿って、又はＺ軸に沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項４に記載の流体循環システム。
【請求項６】
前記作用面は前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸のうちの２つに沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項５に記載の流体循環システム。
【請求項７】
前記作用面は前記Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に沿って前記黄金分割と実質的に一致する、請求項４に記載の流体循環システム。
【請求項８】
前記流体塊は、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられ得る実質的に円筒状のタンク内の液体塊を含み、前記インペラは、該タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転するように該液体内に配置される、請求項１及び２〜７のいずれか１つに記載の流体循環システム。
【請求項９】
タンク又はリザーバ内に収容された液体塊の混合システムであって、該システムはインペラを含み、該インペラは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計され、該インペラは該液体内に配置され、該インペラの回転により該液体の循環を渦環の形態で発生させる、混合システム。
【請求項１０】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項９に記載の混合システム。
【請求項１１】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項９及び１０に記載の混合システム。
【請求項１２】
前記インペラは実質的に水平方向に取付けられる、請求項９、１０及び１１のいずれか１つに記載の混合システム。
【請求項１３】
前記タンク又はリザーバは、その中心軸が上向きに配置される状態に向けられた実質的に円筒状のタンクであって、該タンクの中心軸と実質的に同軸に位置合わせされた回転軸の周りを回転する、タンクを含む、請求項９、１０、１１及び１２のいずれか１つに記載の混合システム。
【請求項１４】
前記タンクの底部は湾曲している、請求項１３に記載の混合システム。
【請求項１５】
前記円筒状のタンクの底部は球形曲面である、請求項１４に記載の混合システム。
【請求項１６】
水のリザーバ用に適応した水浄化システムであって、該水浄化システムは実質的に黄金分割又はファイ幾何学に基づいて設計されたインペラを含み、使用時に、該インペラは該水内で回転するように配置され、該水の循環を渦環の形態で確立し、維持することができるように形成されている、水浄化システム。
【請求項１７】
前記インペラの形態は前記渦環の漏斗又は中心部内の流動線、流線、又は渦度線と対応する、請求項１６に記載の水浄化システム。
【請求項１８】
前記インペラは前記黄金分割の少なくとも１つの対数曲線と実質的に一致する形状を有する作用面を備える、請求項１６及び１７のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項１９】
前記インペラの回転軸は上向きに配置される、請求項１６、１７及び１８のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２０】
前記インペラの回転軸は実質的に垂直方向である、請求項１９に記載の水浄化システム。
【請求項２１】
前記水のリザーバは配管網給水に関連付けられた貯水塔であり、前記水の循環は前記水体内の層形成を中断又は妨げるように適応している、請求項１６、１７、１８、１９及び２０のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２２】
前記水のリザーバは池であり、前記水の循環は前記水体全体の曝気を促進するように適応している、請求項１６、１７、１８、１９及び２０のいずれか１つに記載の水浄化システム。
【請求項２３】
添付の図面を参照して実質的に明細書中において記載された流体循環システム。
【請求項２４】
添付の図面を参照して実質的に明細書中において記載された混合システム。
【請求項２５】
添付の図面を参照して実質的に明細書中において記載された水浄化システム。
【国際調査報告】
2007509735.tif 000010
2007509735.tif 000011
2007509735.tif 000012