(57)【要約】    【課題】  水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することによって、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消すること。    【解決手段】  本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結した。  また、本発明では、前記吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成し、或いは、前記吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した。【選択図】      図１
2005102591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結したことを特徴とする水域底層の貧酸素防止装置。
【請求項２】
前記吸入管は、上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載の水域底層の貧酸素防止装置。
【請求項３】
前記吸入管は、下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の水域底層の貧酸素防止装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水域底層の貧酸素防止装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
池や湖や内湾などの閉鎖性水域では、水の流れが少ないことに起因して、特に底層での水中の溶存酸素が不足し、魚介類の成育に多大な悪影響を与えるとともに、水の腐敗によって悪臭が発生するといった社会問題が生じている。
【０００３】
かかる問題を解決するために、従来においては、水域に水の流れを生起させるための水路を新たに建設したり、水底から水を汲み上げて曝気を行う大型の曝気装置を建設したりといった大規模な対策を施していた。
【０００４】
一方、簡易に水域の浄化を行う装置としては、水面に回転翼を配設した構造の装置が考案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１０２７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記した従来の対策では、水路や曝気装置の建設のために多大な労力と時間と費用とを要するものであった。
【０００６】
一方、特許文献１に開示された装置では、水面付近を撹拌させることによって水面付近の水に酸素を供給するものであり、水域全体を撹拌するものではなかったために、水域の底層にまで酸素を供給することができず、問題の抜本的な解決を行うものではなかった。
【０００７】
そのため、従来から水域底層における貧酸素状態を改善する効率的な装置の開発が望まれていた。
【０００８】
そして、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、２枚の平行円板間に複数の翼体を中心から半径方向に向けて放射状に設けるとともに、下側の円板の中心に吸入管を設け、全体を水域の水面近傍で回転させることによって、水域全体が撹拌され、これにより、水面から水中に取り込んだ空気を水域の底層にまで供給して、底層での貧酸素状態を解消できることがわかった。
【０００９】
そこで、上記知見に基づいて、本発明者が様々な実験を重ねた結果、以下に説明する本発明をなすに至ったのである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
すなわち、請求項１に係る本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結したことを特徴とする水域底層の貧酸素防止装置を提供するものである。
【００１１】
また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成することにした。
【００１２】
また、請求項３に係る本発明では、前記請求項１又は請求項２に係る本発明において、前記吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成することにした。
【発明の効果】
【００１３】
そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。
【００１４】
すなわち、請求項１に係る本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結しているため、水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することができ、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消することができる。
【００１５】
また、請求項２に係る本発明では、吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成しているため、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。
【００１６】
また、請求項３に係る本発明では、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成しているため、これによっても、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る水域底層の貧酸素防止装置は、水域内部の水面近傍に配置して、水域を撹拌させながら、水面から水中に取り込んだ空気を水域の底層にまで供給して、底層での貧酸素状態を解消する装置である。
【００１８】
この貧酸素防止装置の構造は、駆動装置に上下一対の円板状の回転平行板（回転平行円板）を連動連結し、この２枚の回転平行板の間に複数枚の矩形状の翼体を回転中心から半径方向外方へ向けて放射状に配設し、下側の回転平行板の回転中心位置に円形貫通状の吸入口を穿設し、この吸入口に水域底層へ向けて直線状に伸延させた円筒状の吸入管を連通連結したものである。
【００１９】
そして、貧酸素防止装置は、駆動装置を駆動することによって回転平行板及び翼体を回転させ、これにより、吸入管から吸い込んだ底層の水を翼体で水面近傍に噴射させ、水域内部に循環流を発生させ、かかる循環流によって水面から水中に取り込んだ空気を底層にまで供給し、底層での貧酸素状態を解消するようにしている。
【００２０】
このように、本発明では、水中に配設した上下一対の回転平行板間に複数の翼体を回転中心から外方へ向けて放射状に配設するとともに、下側の回転平行板の中心に形成した吸入口に水域底層へ向けて伸延させた吸入管を連通連結しているために、水域底層の貧酸素防止装置の構造を簡略化することができ、安価で製造容易な装置でありながら、水域底層の貧酸素状態を効率良く解消することができる。
【００２１】
特に、吸入管の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したり、或いは、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した場合には、底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができ、水域底層の貧酸素状態をより一層効率良く解消することができる。
【００２２】
以下に、本発明に係る水域底層の貧酸素防止装置の具体的な構造について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
貧酸素防止装置１は、図１に示すように、駆動装置２の駆動軸３の下端に円板（上側の回転平行板４）の上側中心部を取付け、この上側の回転平行板４の下側に６枚の矩形板状の翼体５を回転中心位置から半径方向に向けて放射状に取付け、この翼体５の下側に円板（下側の回転平行板６）を上側の回転平行板４と平行に取付けている。
【００２４】
また、貧酸素防止装置１は、下側の回転平行板６の中心位置に円形貫通状の吸入口７を形成するとともに、回転平行板６の下側の中心位置に水域底層へ向けて直線状に伸延させた円筒状の吸入管８を取付けて、これらの吸入口７と吸入管８の上端開口部とを連通連結している。
【００２５】
さらに、貧酸素防止装置１は、隣接する翼体5,5の基端部（内方部）の間に流入口９を形成する一方、隣接する翼体5,5の先端部（外方部）の間に噴出口10を形成している。
【００２６】
そして、貧酸素防止装置１は、図２に示すように、駆動装置２を駆動することによって上下の回転平行板4, 6、翼体５、及び吸入管８を一体的に回転させると、吸入管８の下端開口部から吸い込んだ水域底層の水が吸入口７、流入口９を経て噴出口10から水面近傍に向けて噴射される。
【００２７】
かかる噴射によって水面近傍に乱流の水面放射噴流が形成され、これによって、水面から水中に空気が取り込まれ、さらには、水面放射噴流によって周囲の水が巻き込まれ（連行され）、水域内部に鉛直循環が誘発され、水域内部に循環流が発生して、その循環流によって水面から水中に取り込んだ空気が底層にまで供給され、底層での貧酸素状態が解消される。
【００２８】
ここで、吸入管８は、図３に示すように、上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた略アサガオ形状に形成してもよく、また、下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた略ベルマウス形状に形成してもよい。
【００２９】
このように、吸入管８の上端部分を上端へ向けて漸次拡径させた形状に形成したり、或いは、吸入管の下端部分を下端へ向けて漸次拡径させた形状に形成した場合には、流出入損失係数を著しく小さくすることができ、水域底層の水を水面まで効率良く吸い上げることができる。
【００３０】
上記構成の貧酸素防止装置１は、基本的には渦巻きポンプのケーシングを取り除いた構造となっていることから、２枚の回転平行板4,6の間隔Ｂ、直径Ｄ（＝２Ｒ（Ｒは半径））、回転角速度ωを変えることによって、鉛直循環流を効率的に誘発する水面放射噴流の噴出流速ｕJや流量ＱJを設定することができる。
【００３１】
具体的には、噴出口10での遠心力Ｆは、
【００３２】
【数１】
2005102591.tif 000003
【００３３】
（(1)式）と表せる。ここで、ρは流体密度である。
【００３４】
この遠心力Ｆで噴出口10から水面放射噴流が噴出されることになるため、噴出速度ｕJは、運動量則２πＲＢρｕJ2＝Ｆに基づいて、
【００３５】
【数２】
2005102591.tif 000004
【００３６】
（(2)式）と表せる。
【００３７】
よって、噴出流量ＱJは、
【００３８】
【数３】
2005102591.tif 000005
【００３９】
（(3)式）と表せる。
【００４０】
また、水面放射噴流を形成するために必要なエネルギーＥは、
【００４１】
【数４】
2005102591.tif 000006
【００４２】
（(4)式）と表せる。
【００４３】
たとえば、直径１ｍ、間隔０．１ｍ、毎分１０回転とした場合には、噴出速度が０．３０２m/s、噴出流量５，７m3/minとなり、必要な正味エネルギーが８．６７９Ｗと１０Ｗ以下に抑えられる。
【００４４】
次に、上記構成の貧酸素防止装置１を用いて行った実験結果について説明する。
【００４５】
実験は、図４に示すように、一辺が１ｍの透明アクリル製直方体水槽11と回転数の制御可能な撹拌機1 2と被接触型３方向超音波流速計を用いて行った。
【００４６】
また、実験には、６枚の翼体５の貧酸素防止装置１を用い、図５及び表１、２に示すように、直径、翼体５の長さを異ならせた３種類の貧酸素防止装置１を設置する水深、回転数を異ならせて１０種類行った。なお、流速は、１測点を１／１０秒間隔で２分間測定したときの平均流速を用いている。また、空間座標には水槽11の底面中央を原点とした鉛直上向きの円筒座標（ｒ、θ、ｚ）を用い、それぞれの方向の流速をｖr、ｖθ、ｖzとする。
【００４７】
【表１】
2005102591.tif 000007
【００４８】
【表２】
2005102591.tif 000008
【００４９】
図６は、表１の実験No.２１の流速分布を示し、図７は、表１の実験No.２２の流速分布を示し、図８は、表１の実験No.４１の流速分布を示し、図９は、表１の実験No.４２の流速分布を示している。
【００５０】
これらの実験結果から、水槽11の水深Ｈが同じであれば、貧酸素防止装置１の回転数や直径が異なっていても、流速成分の空間分布は類似することがわかる。
【００５１】
また、図10は、水深２０ｃｍに設置した場合（実験No.２１、２２）の流速ベクトルを示し、図11は、水深３０ｃｍに設置した場合（実験No.３１、３３、３５）の流速ベクトルを示し、図12は、水深４０ｃｍに設置した場合（実験No.４１、４２、４３）の流速ベクトルを示している。
【００５２】
これらの実験結果から、水槽11の水深Ｈが異なると、流速ベクトルの分布形は異なるが、いずれの場合も水槽11の中央部で上昇し、壁面近くで下降する明瞭な鉛直循環流が確認されることがわかる。
【００５３】
また、ｚ層の半径ｒの円断面を上向きに流れる流量（上昇流量Ｑzr）は、実測流速ｖzを用いると、
【００５４】
【数５】
2005102591.tif 000009
【００５５】
（(5)式）と表せる。
【００５６】
一方、水面放射噴流の噴出流量ＱJは、前記（３)式と同様に、
【００５７】
【数６】
2005102591.tif 000010
【００５８】
（(6)式）と表せる。
【００５９】
そして、上記２式でＱzrとＱJとを求め、縦軸にＱzr／ＱJ、横軸にr/(bd/2)1/2をとって、ｚをパラメータとして図示したものを図13〜図15に示す。なお、図13は、水深２０ｃｍに設置した場合（実験No.２１、２２）を示し、図1 4は、水深３０ｃｍに設置した場合（実験No.３１、３３、３５）を示し、図1 5は、水深４０ｃｍに設置した場合（実験No.４１、４２、４３）を示している。
【００６０】
これらの実験結果から、いずれの水深の場合であっても、各ｚ層のＱzr／ＱJはr/(bd/2)1/2に対して極大値Ｑzm／ＱJをとる。
【００６１】
図1 6は、極大値Ｑzm／ＱJのときのＱzmとＱJとの関係を示している。
【００６２】
これにより、ｚ層の極大値Ｑzmは、いずれの水深の場合であっても、ほぼＱJに比例することがわかる。また、水深毎のｚの変化に伴うＱzmの最大値は水深のほぼ１／２層で形成され、その大きさは、水深２０ｃｍではＱJの約５倍、水深３０ｃｍではＱJの約２倍、水深４０ｃｍではＱJの約６倍となっている。
【００６３】
以上の実験結果から、水域の流速分布は幾何学相似が成り立つことがわかる。したがって、縦２０ｍ、横２０ｍ、深さ４〜８ｍの水域中央の水面で、直径１ｍ、間隔０．１ｍの貧酸素防止装置１を毎分１０回転させると、放射噴流流量ＱJは５m3/ minとなり、その約４倍の２０m3/ minもの最大上昇流量が水域内部に形成され、これにより、水塊は２〜３時間で水域内部を一巡することになる。しかも、それに必要な正味のエネルギーはわずかに１０Ｗ以下である。
【００６４】
このように、上記貧酸素防止装置１は、簡単な構造でありながら、わずかなエネルギーで水域底層の貧酸素状態を解消することができ、実用性の極めて高いものといえる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る貧酸素防止装置を示す斜視図。
【図２】貧酸素防止装置の使用状態を示す説明図。
【図３】吸入管を示す斜視図。
【図４】実験装置を示す説明図。
【図５】実験装置を示す拡大説明図。
【図６】実験No.２１の流速分布を示すグラフ。
【図７】実験No.２２の流速分布を示すグラフ。
【図８】実験No.４１の流速分布を示すグラフ。
【図９】実験No.４２の流速分布を示すグラフ。
【図１０】水深２０cmに設置した場合（実験No.21,22）の流速ベクトルを示すグラフ。
【図１１】水深３０cmに設置した場合（実験N o.31,33,35）の流速ベクトルを示すグラフ。
【図１２】水深４０cmに設置した場合（実験No.41,42,43）の流速ベクトルを示すグラフ。
【図１３】水深２０cmに設置した場合（実験No.21,22）のＱzr／ＱJと横軸にr/(bd/2)1/2との関係を示すグラフ。
【図１４】水深３０cmに設置した場合（実験No.31,33,35）のＱzr／ＱJと横軸にr/(bd/2)1/2との関係を示すグラフ。
【図１５】水深４０cmに設置した場合（実験No.41,42,43）のＱzr／ＱJと横軸にr/(bd/2)1/2との関係を示すグラフ。
【図１６】極大値Ｑzm／ＱJのときのＱzmとＱJとの関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６６】
１  貧酸素防止装置
２  駆動装置
３  駆動軸
4,6  回転平行板
５  翼体
７  吸入口
８  吸入管
９  流入口
10  噴出口
11  水槽
12  撹拌機
【図１】
2005102591.tif 000011
【図２】
2005102591.tif 000012
【図３】
2005102591.tif 000013
【図４】
2005102591.tif 000014
【図５】
2005102591.tif 000015
【図６】
2005102591.tif 000016
【図７】
2005102591.tif 000017
【図８】
2005102591.tif 000018
【図９】
2005102591.tif 000019
【図１０】
2005102591.tif 000020
【図１１】
2005102591.tif 000021
【図１２】
2005102591.tif 000022
【図１３】
2005102591.tif 000023
【図１４】
2005102591.tif 000024
【図１５】
2005102591.tif 000025
【図１６】
2005102591.tif 000026