(57)【要約】【課題】世界的な規模で湖沼や池の内水面や内海面での水質は、人口増加によって富栄養化が進んだことで、水質浄化を必要とする面積も増えている。所が環境対策事業は極めて低コストの装置でなければ低開発国を含めた広い地域での設置が困難で、そのような要求に応える浄化装置は実現されていない。【解決手段】垂直軸の周りを回転できるロータを水面の上下に亘って配置し、水面上で軸支して、水面下で下方に開口した垂直通路と、水面下で垂直通路と分岐した斜め通路とを有し、水面上で斜め通路は撒水口に接続される単純形状の水の通路を備えたロータにより、極めて安価に製作できるケースを有しない循環ポンプを基本構造とし、風車によるロータ回転機構や、斜め通路の角度を更に増大した撒水管を装備した。【選択図】　　　　図１
2004011631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中下方に開口しポンプロータ全長の１／４程度以上の長さを有する垂直通路と、この垂直通路から屈曲もしくは枝別れした通路が水面下において垂直通路中心軸からロータ回転による遠心力により上昇水流を生じるだけの距離を有している斜め通路と、この斜め通路に接続し水面上で斜め上方に開口した撒水口とを有し、水面から距離を置いた空中で前記垂直通路中心軸を中心とする回転軸で支承されるロータ本体から成るケースレス循環ポンプ
【請求項２】
水面上に垂直に突出する回転軸を軸支する脚部および垂直柱と、この垂直柱上部で垂直柱の周りを旋回自在に保持される水平回転軸と、この水平回転軸先端に固定された風車と、これら垂直および水平回転軸を連結する歯車機構とを備え、前記垂直回転軸と共通の中心軸を有して水中下方に開口しポンプロータ全長の１／４程度以上の長さを有する垂直通路と、この垂直通路から屈曲もしくは枝別れした通路が水面下において垂直通路中心軸からロータ回転による遠心力により上昇水流を生ずるだけの距離を有している斜め通路と、この斜め通路に接続し水面上で斜め上方に開口した撒水口とを有し、垂直回転軸下端に上部が固定されるロータ本体とから成るケースレス循環ポンプ
【請求項３】
撒水口付近の放出管角度は通路内部に小石、砂利等が混和しても、水よりも比重が大きいこの混和物を遠心力で排出可能な傾斜角度まで斜め通路角度より増大された角度を有していることを特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載のケースレス循環ポンプ
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、風力のような自然エネルギーを利用して湖沼や池のような静水面に酸素含有濃度の高い水の強制的な循環流を生み出す、環境保全に適した循環ポンプに関するもので、内水面および海面での魚類等の養殖業においても、単藻類の異常繁殖による淡水および海水中の酸素欠亡から魚類を守るためのエアレーション装置としても利用が可能な自然エネルギー活用型循環ポンプにも関与する。
【０００２】
【従来の技術】
水に関する環境改善のための装置は、従来飲み水を確保するための浄水場施設や、下水処理のための大掛かりなシステムが利用されているばかりで、飲料水浄水器以外で自然エネルギーを利用できるような小型装置は全く実現されていない。別けても湖沼の浄化を目指すような、受益者が特定できない事業では経済効果も見積もり不可能であり、コストの高いシステムは社会に受け入れられる余地が無いと考えられる。環境改善を目指す装置では、地球温暖化ガスの排出を伴うようでは意味が無くなりかねないので、可能な限り自然エネルギーを活用できるシステムが望ましい。従来の自然エネルギー利用の課題はコスト高の克服であったので、スケールメリット効果を狙い、世界の傾向は単機容量の増大に向かっている。しかしながら地球規模での水環境改善を目指す上からは、小容量機の分散利用が望ましく、新しい観点からの問題解決が望まれていた。
【０００３】
養殖業においては小規模な装置の実用化が進んでいる。特に鰻の養殖池では水平軸の周りを回転する羽車が水面を引っ掻き回して水を跳ね上げる小型装置が利用されているが、小型の電動機で駆動する方式であり、自然エネルギーの利用は行われていない。他方、海面を利用したハマチのような養殖業では、赤潮の被害に悩まされてきたりしている。狭い生け簀の中で高密度に養殖し、病気に備えて抗生物質のような薬剤も与えたりする方式は間違いであるとの反省から、大型藻類を積極的に利用し、広い生け簀で食べ残した餌や糞を自然循環することを目指す方法も試みられているが、完全な養殖方法は未だ確立されておらず、赤潮対策も殆どお手上げの状態で不十分と考えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする第一の課題は、小容量であっても極端に簡素化された構造でありながら高循環効率のポンプを実現することであり、これによって従来品とは比較にならぬ低コストでのポンプ製造を可能とし、優れたコストパホーマンスによって湖沼浄化に向けた環境対策需要にも対応可能とすることである。第二の課題は、風車のような自然エネルギー利用が可能な循環ポンプを実現することで、運転コストと温暖化ガスの排出とを零に抑制した循環ポンプシステムを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、発明者はケースを省いた回転するロータだけの極めて単純なポンプ形式を考え付いた。即ち、水面の上で軸承される回転軸の下端に固定されて水中で回転するロータを基本とし、このロータ下端に下向きの開口を有し、この開口に連なる垂直通路を設け、垂直通路は途中で或る角度をもって屈曲もしくは分岐して斜め通路となって更に上方に伸び、水面上に開口したロータの撒水口に連なるというケースレス循環ポンプの基本構造である。この斜め通路の或る角度とは、ロータの回転に伴う斜め通路内部の水に働く遠心力によって、通路に水の上昇流が生ずるような角度である。角度が小さければ早く回転しないと上昇流は生ぜず、角度が大きければもっとゆっくりした回転速度でも上昇流が生ずることになるが、実際には想定する定格速度で上昇流が生ずるような角度に設定する。水中に向けて開口した垂直通路は回転軸と中心軸を共通にした構造であり、通路全体の表面を滑らかにすることでポンプの高循環効率の実現を図ることができる。
【０００６】
このような循環ポンプの駆動源として、従来あまり利用されてこなかった数ワット程度の風力を活用することを考え、小型風車の水平軸とケースレス循環ポンプの回転軸とを歯車装置で連結した。直径６０ｃｍ余りの小型風車により、風速が毎秒４ｍ程度であれば十分な余裕をもってポンプが駆動できるモデルを想定している。この場合の想定ポンプ軸回転速度は１２０ｒｐｍである。
【０００７】
この種の装置では手間がかからないメンテナンスフリーであることが必要なので、水の通過する通路には異物が付着したりしないような構造であることが望まれる。基本的に通路自体が単純であればこのような要求にも応えやすいが、発明者は小石等が通路内部にあっても、水との比重差を利用して積極的にこれらを排出できるようにすることを考えた。具体的には、撒水口付近の斜め通路終端付近を、より大きな遠心力が働くような角度を与えることでこの課題の解決ができると考えられ、結果的に撒水口での水の速度を一層速めている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の最初の実施例は、淡水である内水面の湖沼の浄水に向けたモデルを想定したもので、比較的水深の浅い内陸の水面に設置できる実施形態を実施例として例示しているが、鰻の養殖場や、海岸近くの海水池を利用する車海老の養殖場でも利用可能な実施の形態である。この他にも、海面上の魚の養殖業に向けた実施の形態も考えられ、この場合にはフロートやアンカーも利用した実施形態となるが、ここでは図示を省略している。又、本発明の最終的な目的の一つである湖沼や池の水質を浄化するシステムを例示するためには、実際に水質浄化の役割を担っている自然界の各種菌類や藻類、プランクトン類等の活性汚泥を構成する微生物類の担体と、循環ポンプシステムとを組み合わせた実施形態も必要であるが、本発明はあくまでもケースレス循環ポンプという機械装置本体についての出願なので、浄化システム全体までは例示していない。
【０００９】
【実施例】
図１に示す本発明の一実施例は、風車によって駆動されるケースレス循環ポンプを横から見た断面図で示す実施例であり、浅い池のような水面に設置されている。上方にある風車は前羽根１と後羽根２とで構成され、風車の回転軸を構成する水平回転軸３は、垂直に設置されている垂直柱９の周りを旋回可能な中空の旋回軸８と、この旋回軸８と一体となった水平軸ケース６によって回転可能に軸止されている。垂直柱９の内部には、上端でフェイスギヤ５に固定され、水平回転軸３に固定されたピニオン４とフェイスギヤ５が噛み合うことで減速回転させられるポンプ本体の垂直回転軸７が回転自在に軸承されており、垂直回転軸７の下方の端部は水面の上下に亘って配置されるケースレス循環ポンプのロータ１２を固定している。垂直柱９を固定する脚部１０は下端が池底に置かれたブロック１８に支持されており、風車を含む循環ポンプ装置全体を支えている。垂直柱９は脚部１０による二ケ処の支持部で摺動可能に支持されており、ターンバックル１９によって支持高さの調整が可能であり、水面の変化にも対応ができる。ポンプの本体を構成するロータ１２の内部は、垂直回転軸７と共通の中心軸を有して水中で下方に向かう開口１５から、垂直通路１３が上に向かって伸び、斜め通路１４に連なっている。斜め通路１４は更に水面を超えて水面の上にまで伸び、撒水口１６に連なっている。前羽根１は左方向からの風を受けて回転し、水平回転軸３を回転させるが、水平回転軸３の右端に取り付けられた後羽根２は、旋回軸８の周りに大きな回転モーメントを発生させるような、旋回軸８からは十分な距離を有している。そこで後羽根２は風力を受けると、前羽根１が風に正面から相対するよう水平回転軸３の方向を変える役割を果たしている。
【００１０】
図１で示した風車で回転駆動されるケースレス循環ポンプ全体の構造も、その機能も単純明快で判りやすいと考えられる。前羽根１と後羽根２が風力を受けて回転すると、ピニオン４、フェイスギヤ５の噛み合いによって垂直回転軸７が回転される。垂直回転軸７の下端には水面の上下に亘って配置されているポンプのロータ１２が固定されているので、ロータ１２も回転する。ロータ１２の内部の斜め通路１４の内部にある水は、ロータ１２の回転により、中心軸からの距離に従い回転角速度による遠心力を受け、水面から撒水口１６迄の水位に相当する水圧以上の遠心力になると、下から上に向かう上昇流が生じ、ポンプとしての自給起動を開始する。その結果回転する撒水口１６から水が撒水されるとともに、下向きの開口１５から池の水が垂直通路１３の中に取り込まれ、更に斜め通路１４に向かう上昇流が生じることになる。撒水口１６から水面に落下する水分は、接触する周囲の空気自体を巻き込みながら水中に落下するので、効率良く水中の酸素含有濃度を高めることができる。水面から撒水口１６までの高さが極めて低いので、この時に水中に巻き込まれた空気は水面近くで泡となり、直ちに上昇して大気中に還元されるが、水面付近の酸素含有濃度が高まると、これが徐々に水中に拡散していくと考えられる。その背景には、静水面における大気中の酸素の水中への溶け込み速度は極めて遅いのとは逆に、泡を伴うような動的な接触によれば比較にならない程早く空気の酸素が水中に溶け込むという現象がある。
【００１１】
一般的に、湖沼や池のような静水面では、自然のままでは水面側の好気性水域と、底側の嫌気性水域に二分される傾向があり、水面が静かな期間が長くなれば嫌気性水域の方が広がってくるものと考えられる。世界の各地でも水の富栄養化が進んでおり、有機リン等を餌とするラフィド藻類が繁殖すると、水の華（アオコ）や赤潮の原因となり、主として水中酸素の欠乏から、大量の魚類の死亡をもたらしていると考えられる。大気中に酸素が乏しかった太古の昔に活躍した嫌気性の菌類や、新しい時代に進化してきた好気性菌類を初めとして、藻類、プランクトン、節足動物も含め微生物の世界も極めて多様な生物のバランスで現在の環境が構成されており、問題は極めて複雑である。例えば、嫌気性の光合成細菌が毒性のある硫化水素を硫黄と水素に還元したりするような働きもしている。然し乍ら、水質浄化のために容易に取り組めるのは、下水処理などに広く利用されている活性汚泥法に近い方法であろう。その有効成分は好気性の菌類、藻類、プランクトン、節足動物まで多岐に亘るが、基本は曝気処理で活性化される好気性であることであり、本発明のような自然エネルギーを積極的に利用した好気性水域の拡大をもたらす安価な装置によれば、コスト問題解決の有力な答えの一つを提供すると考えられる。例えばプランクトンに注目すると、菌類や単藻類よりも進化した生物であるプランクトンは、自走性を高めることで餌の補食範囲を大きく広げる進化を遂げているから、図１に示した装置によって水中の酸素濃度が活発に活動できるように維持されれば、自分で補食行動するプランクトンによる湖沼浄化作用を活性化しながらいつまでも維持できることになる。更に、日本の渓流では無数の石の表面に付着した珪藻類が渓流の浄化とアユ等の食物連鎖に加わっている点を模して、好気性の菌類や珪藻等を担持する担体として、プラスチックネットに小石や、石炭灰や高炉スラグを再利用した表面に凹凸のある塊等を詰め、撒水される水面付近に配置するような湖沼浄化システムを構築することも可能である。このような細部は、実際に設置される湖沼等の実情に合わせて適宜選択することができよう。
【００１２】
図１に示した装置が鰻や車海老等の養殖池に利用された場合においても、エネルギーコストが掛らない自然エネルギー利用を可能とするから、魅力的な水質浄化装置になると考えられる。特に海老類の餌はプランクトンなので、海老類の養殖に図１の装置が適している。加えて、海面を利用した養殖場でも、フロートやアンカーを利用してこのような装置を設置することが可能であり、赤潮による甚大な被害を確実に回避できると考えられる。
【００１３】
図２に例示するのは、本発明のケースレス循環ポンプの基幹を構成するロータ１２の拡大図である。海水中でも使用できるようにすることも同時に考慮すれば、コストも含めこの材質は錆とは無縁の樹脂製が優れていると考えられる。水中で下方に開口した垂直通路１３は、開口１５の周囲にフランジ形状のスタピライザー１７を有し、植物等での開口１５の閉塞を避ける工夫をしているが、前記のように上方に伸びて水中で斜め通路１４が分岐している。垂直回転軸７の中心軸と垂直通路１４の中心軸とは一致しており、ロータ１２の回転中心軸と斜め通路１４の中心軸との角度をθ１とし、斜め通路１４の上端でこれに接続する撒水口１６自体を、短い長さを持った撒水管２０として形成し、撒水管２０の中心軸が回転軸中心と成す角度をθ２とする時、これら二つの角度をどのようにして決めれば良いかについて説明する。図２の原点０から垂直上方に向かうＺ軸（回転軸に同じ）と、原点０に交差する水平軸であるＸ軸を定義し、Ｚ軸方向ｚ位置でＸ軸方向ｒの位置にある微小質量ｍの水分に働く遠心力Ｆは、図中全ベクトルを記すと密集するので左右対称に分散表示するが、角速度をωｒａｄ／ｓとすると、
【数１】によって表される。
【００１４】
【数１】
2004011631.tif 000003
【００１５】
斜め通路１４の上端の撒水口１６の入口まで水で満たされている時、その水に
作用する遠心力の合計ΣＦは、
【数１】においてＦをｚ＝０からｚ＝ｚｗ＋ｚａまでの間につき積分した数値となる。この式は
【数２】に示す通りである。
【００１６】
【数２】
2004011631.tif 000004
【００１７】
ただし、
【数２】において、ρ：水の密度、Ａ：斜め通路１４をＸ軸と平行に切断した断面積とする。ΣＦにｓｉｎθ１を乗じた、ΣＦの斜め通路１４方向成分が、斜め通路１４内の静水面より上にある水の自重成分（ρｇＡｚａ）よりも大きくなれば、斜め通路１４内部の水は上に向かって押し上げられる。この時の
条件は
【数３】となる。
【００１８】
【数３】
2004011631.tif 000005
【００１９】
【数３】からθ１を求めると
【数４】が導かれる。
【００２０】
【数４】
2004011631.tif 000006
【００２１】
即ち、斜め通路１４の角度を
【数４】によって決定すれば、ポンプは自給起動できる。
【００２２】
次にθ２の決定条件を述べる。前記の遠心力Ｆを表す
【数１】は、撒水管２０内部でも成立する。遠心力の流路方向成分が自重の流路方向成分より大きければ、撒水管２０内部に存在する物体は放出されることになる。この点を数式で表現すると
【数５】となる。
【００２３】
【数５】
2004011631.tif 000007
【００２４】
θ２につき整理すると更に
【数６】で表現される。
【００２５】
【数６】
2004011631.tif 000008
【００２６】
ここでｒの値は撒水口１６の値とするから、（ｚｗ＋ｚａ）にｔａｎθ２を乗じた値となる。このｒ値を
【数６】に代入すると
【数７】となり、最終的にθ２は
【数８】で導かれる条件を満たせばよいことになる。
【００２７】
【数７】
2004011631.tif 000009
【００２８】
【数８】
2004011631.tif 000010
【００２９】
この
【数８】の関係が成り立てば、撒水管２０内部の物質は、比重の大小に関係無く何でも撒水管２０の外部に放出されることになる。
【００３０】
次いで、本発明の作用の量的な検証には、具体的な数値を当てはめた計算値により確かめてみたい。そのためには第一に先の図１で示した風車の仕様値から示す必要がある。前羽根１と後羽根２の直径は６３５ｍｍ（２５インチ相当）とし、３枚ブレード型風車の風力変換効率を３５％とすると、風車の受風面積は０．３１６ｍ２であるから、風速４ｍ／ｓにおいて約４．２ｗ（６００ｒｐｍ）の動力Ｐｅが得られる。空気密度をρ＝１．１９６ｋｇ／ｍ３として
【数９】による計算結果を示す。
【００３１】
【数９】
2004011631.tif 000011
【００３２】
このおよそ４ｗの動力を歯車装置で１／５の１２０ｒｐｍに減速してポンプロータ１２を回転させることとする。この時垂直回転軸７は角速度が１２．６ｒａｄ／ｓになっており、ｚｗ＝０．２ｍ，ｚａ＝０．０５ｍを
【数４】に代入すると、θ１≧１７．５°となるので、θ１を２０°に決定する。更に残りの撒水管２０の傾斜角度θ２を
【数８】によって求めると、θ２≧２６．５°となるので、θ２を３０°に決定する。
【００３３】
次いで斜め通路１４の寸法を直径０．０２８ｍで２本仕様とし、その長さを０．２６５ｍ、撒水管２０の長さを０．０８ｍとすれば、１２０ｒｐｍでは水の流速は０．８１２ｍ／ｓとなり、ポンプ流量は１ｌ／ｓ　となる。１時間当りの流量に換算すれば毎時３．６トンに相当する。この時ポンプ効率を５０％と看做すと、所要動力は２．６４ｗと見積もることができる。これは風速４ｍ／ｓの時の風車出力４．２ｗに比較すると十分に小さな動力なので、想定風速の下で実施例の風車は確実にポンプ所要動力を供給することができる。
【００３４】
図３には、ケースレス循環ポンプの基幹部品であるロータ１２において、内蔵する斜め通路１４の数を２本から６本に増大させた場合の実施例の斜視図である。図２の実施例に比較すると、垂直通路１５の断面積は３倍に増大されている。撒水管２０は１本のみを記し、残りは複雑な図面とならないように省略して示している。斜め通路１４や撒水管２０の寸法と傾斜角度を図２と同様にすれば、直径１，１００ｍｍ程度の風車で駆動できるより大出力のポンプとなり、図２実施例の３倍程度の容量のポンプになる。海面での養殖用には、こちらの方が適しているかもしれない。この他にも、直線状の斜め通路１４をより複雑な３次元的曲線として若干の性能向上を図ることも可能であるが、本発明の実施例では何よりも経済性を重視して、極めて単純な形状で低コストにて製造できることを優先した。然し乍ら、今後の性能改善モデルも本発明の中に含まれることは自明である。
【００３５】
最後に図４で例示するのは、従来技術を使用した湖沼浄化用のプロペラ型循環ポンプシステムである。従来技術では、本システムで利用する様な極めて低圧の仕様では、専らプロペラ型のポンプが使用される。図４で示したように、回転軸３４により回転駆動される動力はプロペラ３１に伝えられて水を跳ね上げる形式となるが、プロペラ３１はケース３０の内部で回転し、水中の軸受３２で回転軸３４を軸止する必要があり、ケース３０と軸受３２とを連結する固定板３５が不可欠である。ケース３０は脚部３３により循環ポンプ装置全体を支えているが、長さの短い脚部３３で全体を支えることになる。このような従来技術によれば、水中で軸受３２を作動させなければならないという厄介な問題と、水中の植物類が固定板３５に引っ掛かってしまうという、手間の掛る面倒な問題を抱え込まざるを得ない。加えて複雑な３次元構造であるプロペラ３１を初めとする高価な部品を製造し、組み立てる作業によって、図２の本発明ロータ１２に比較すれば、比較にならない高コストを余儀なくされることは明らかであろう。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のケースレス循環ポンプによれば、湖沼浄化システムの構築に適した、極めて安価な単純構造の保守が殆ど不要な低圧ポンプを提供することが可能になり、風力のような自然エネルギーを利用して運転コストの全く掛らない、世界の多くの低開発国でも多数設置することが可能となる循環ポンプを実現できた。本発明のケースレス循環ポンプを利用した湖沼水質浄化システムにおいて、直径６３５ｍｍの風車を利用すれば、風速４ｍ／ｓの風力で毎時３．６トンの水を循環させることで酸素含有濃度を向上し、好気性微生物の活性化を図り、水質浄化に資することができる。直径１．１ｍの風車では処理水量も同一風力で３倍の毎時１０．８トンとなり、海面を利用する養殖業においても、海水の富栄養化によってもたらされるラフィド藻類の異常繁殖による赤潮発生にブレーキを懸けることが期待でき、別けても水中酸素の欠乏から魚類が全滅することを避けることができる。淡水におけるアオコ対策においても全く同様の大きな効果が期待できる。特に、受益者が特定できない環境対策分野における、著しいコストダウンを可能とすることで、安価な低容量装置の分散配置を実現できることから、世界に向けた全く新しい市場を創出することによる経済的効果は極めて大きいと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のケースレス循環ポンプと風車による駆動機構とを組み合わせた、湖沼水質浄化のための環境対策システムとして応用した一実施例の縦断面図である。
【図２】本発明のケースレス循環ポンプの根幹をなすロータの一実施例の縦断面図である。
【図３】図２のロータの斜め通路を３倍の６本としたロータの一実施例の斜視図である。
【図４】従来技術の低圧プロペラポンプを使用した湖沼浄化システムの縦断面図である。
【符号の説明】
１　風車の前羽根
２　風車の後羽根
３　風車の水平回転軸
４　ピニオン
５　フェイスギヤ
６　水平軸ケース
７　垂直回転軸
８　旋回軸
９　垂直柱
１０　脚部
１２　ポンプのロータ
１３　垂直通路
１４　斜め通路
１５　開口
１６　撒水口
１７　スタピライザー
１８　池底に置かれるブロック
１９　ターンバックル
２０　撒水管
２１　垂直回転軸の摺動支持部
３０　従来技術の低圧ポンプのケース
３１　従来技術の低圧ポンプのプロペラ
３２　軸受
３３　脚部
３４　回転軸
３５　固定板
【図１】
2004011631.tif 000012
【図２】
2004011631.tif 000013
【図３】
2004011631.tif 000014
【図４】
2004011631.tif 000015