(57)【要約】      （修正有）【課題】水底が無酸素状態に陥って腐敗し、魚介類が育たなくなってしまった池やダム湖、入り海の水底に酸素を供給して生態系の回復を図り、魚介類を殖やしながら食物連鎖で水を浄化する底質改善装置を提供する。【解決手段】水面方向に広げた水掻き羽根を低速で回す方式により、わずかなエネルギーで膨大な量の水を耕して、水底の水を太陽と風に晒すことが出来る。また、この水の循環流で広範囲の水底が活性化されて魚介類が殖え、食物連鎖で水は浄化される。  この流れが引き起こす浄水作用は耕水量に左右される。激しく変動する太陽光で安定した耕水量を得るために、太陽電池とＤＣモータと広げた羽根のそれぞれが持っている特性の整合を図り、耕水量が水面方向に伸ばした水掻き羽根の長さと、太陽光の強さの積の１／２乗に比例して増減するようにした。これによると弱い光でも羽根を長く伸ばすことによって多量の水が耕せるようになる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
弱い光で多量の水を耕し、その耕水量が太陽光の強弱に影響され難くする目的で、水面方向に大きく広げた水掻き羽根を、太陽電池に直結して得られたＤＣモータのトルクを減速機で増幅して回し、水底に酸素を供給するようにした底質改善装置。
【請求項２】
請求項１において、整流子とブラシを用いない、駆動回路と駆動コイルで回す方式のブラシレスＤＣモータやステッピングモータを使用し、モータの駆動コイルに太陽電池の発電電流を直接通電し、回転速度は光の強弱に合わせて駆動回路で制御するようにした底質改善装置
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  水底が無酸素状態に陥って腐敗し、魚介類が育たなくなってしまった池やダム湖、入り海の水底に酸素を供給して生態系の回復を図り、魚介類を殖やしながら食物連鎖で水を浄化する底質改善装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  広い池やダム湖、入り海の水の浄化に関しては、これまでいろいろな方式のものが考案され、実施されている。しかし成功した例は皆無であった。ところが最近、水面に大きく広げた羽根で水を耕して、自然の力を活かして水を浄化する方法（特許第３３６００７５公報参照）が普及されるようになって、方々から注目され良い結果も報告されている。【０００３】  高度な技術も薬剤も要らない。わずか５０ワットの電力だけで３０００ｍ２もの水域が活性化されて生き返るこの方式に、太陽電池を組み込めば電源も不要になって、水の浄化も魚介類の養殖も、水環境対策の全ての難題は太陽の力だけで解消されることになる。また、太陽電池の新しい応用分野が拓かれ、太陽電池の普及に拍車がかかって、ＣＯ２の削減など、地球の環境対策にも多大な効果をもたらすはずである。こうした考えから、最近、太陽電池で水掻き羽根を回して池を浄化する実験が方々で行なわれるようになって来た。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかし、ＡＣ電源で回していたものを太陽電池の電源に切り替えて、それで済むような簡単な問題ではない。晴天、曇り、雨など変化が激しいため、モータの駆動条件が激変する。曇りでも雨でも、朝でも夕方でも回り続けるようにするには、太陽電池の発電電流を蓄電池に充電しておいて、駆動条件が一定になるように保持しなければならない。しかしこの蓄電池には寿命がある。重たいし、定期的に行なうメンテは大変である。
【０００５】  また、蓄電池に使用されている鉛の汚染の心配もある。環境を浄化するはずの装置に、重金属で環境の汚染を招く懸念のあるものを使用するのは問題である。環境問題の将来まで見据えた、こうした意見も無視出来ない。
【０００６】  太陽電池の利用で一番の問題は蓄電池である。これ無しで、曇りの日も雨の日も、陽が昇り沈むまでの長時間、太陽の光の強弱に関係なく池の水を耕し続けて水底に酸素を供給し、水底を腐敗から護ることの出来る底質改善装置を提供するのが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  太陽電池の発電電流を蓄電池に充電して交流に直し、水面方向に広げた水掻き羽根をＡＣモータで回して、池の腐敗が防げるかどうかの実験を行なってみた。駆動時間は朝の８時から夕方の４時までの１日８時間である。その結果、ＤＣモータを用いて、太陽の光の強弱に合わせて羽根の回転速度が自動的に変化するようにすれば、蓄電池なしでも池の腐敗が十分防止出来るという確信を得た。
【０００８】  水面方向に広げた水掻き羽根を低速で回すと、水底の水は水面に導かれて上昇し、水面には角運動量保存則に従う流れが生じる。水面に上昇した水はその流れに乗って風と太陽に晒され水面をどこまでも広がって行く。その過程で、水面を吹く風は魚介類に有害なアンモニアや臭気を水から発散させ、太陽の光は植物性プランクトンの光合成を盛んにして酸素を生産する。溶存酸素を増やし、有害成分を排除した水が水底に還り、水底を這うように流れて、水底に酸素を供給しながらもとの流れの起点に集束する流で水底は活性化され、プランクトンを生産する畑に変わる。水溶性の窒素やリンはこの畑でプランクトンに固定され、水中の昆虫や小魚、小エビ等の餌になり、それがウナギ、タイ、フグ等の餌になって、食物連鎖で魚に変換されて消滅する。ヘドロに含まれる有機物も貴重な有機資源である。活性化された水底の畑の肥料になってプランクトンになり、魚に変換されてやがて消滅してしまう。
【０００９】  水を耕し、生態系の回復を図って水を浄化するこの方式は、自然の浄化力、すなわち太陽と風と水底の畑による蛋白の生産力の三つの力を引き出して、池やダム湖、入り海の浄化を行なうもので、自然の自浄の力を引き出して水を浄化する原理だと云える。
【０００８】で述べたことから判断すると、この原理の浄化力は水面の面積がゼロであればゼロで、耕水量がゼロでもゼロになる力である。従ってこの原理の浄化力は水面の面積と耕水量の積で表わされ、耕水量に比例すると考えられる。
【００１０】  流れの理論によると、この耕水量Ｑ［ｍ３／ｓ］は、回転軸から水掻き羽根の先端までの長さＲ［ｍ］と羽根の回転数ｆ［ｒｐｓ］を用いて次のように表わされる。
Ｑ＝Ｋ１Ｒ３ｆ      （１）
Ｋ１は水掻き羽根の形状で決まる形状係数である。
【００１１】  一方、太陽電池の発電電流は太陽光の強さ比例し、ＤＣモータのトルクは駆動コイルに流れる電流に比例する。従って、発電電流をＤＣモータのコイルに直接通電してモータを回して得られるトルクを減速機で増幅して羽根を回せば、羽根の回転数は太陽光の強さＩ［Ｗ］で次式のように表わされる。
ｆ＝Ｋ２（ηｋ／ρσＲ５）１／２（Ｉ）１／２      （２）
ηは減速機の伝達効率で、ρ［Ｋｇ／ｍ３］は水の密度、σは減速機の減速比、ｋ［ｓ］はトルクと光の強さの比例関係を表わす比例定数を意味する。またＫ２は羽根の形で決まるもうひとつの形状係数である。
【００１２】  （２）式を（１）式に代入して、改めて羽根の形状係数Ｋを導入して耕水量を表わすと、
Ｑ＝Ｋ（ηｋ／ρσ）１／２（ＲＩ）１／２      （３）
となって、太陽電池とＤＣモータによる耕水量は、水掻き羽根の長さＲと光の強さＩの積の１／２乗に比例していることが分かる。
【００１３】  これによると、曇って光の強さが晴天時の１／２になっても耕水量は３割減少するだけである。もっと弱くなって、１／９になったとしても耕水量の減少は晴天時の１／３に過ぎない。また弱い光でＩが小さい場合でも、水掻き羽根を広げてＲを大きくすれば、十分な耕水量が得られる計算である。
【００１４】  しかしＤＣモータで問題なのは回る整流子と接触して電流を供給するブラシの寿命である。せいぜい２０００時間が限度で、１日１０時間駆動で２００日しか持たない。広い池の中央部に設置して回す方式なので、ボートを漕いでそこまで行ってメンテナンスをするとなると手間が大変である。
【００１５】  このような場合はブラシを使用しない、駆動回路と駆動コイルから成るブラシレスＤＣモータやステッピングモータを用いてメンテナンスフリーにすることも可能である。駆動コイルには太陽電池の発電電流を直接通電して、
【００１１】で述べた（２）式の回転数、つまり光の強さの１／２乗に比例した回転数で羽根が回るように、駆動回路でモータの回転数を制御するようにすれば、太陽光の強弱に合わせて水掻き羽根の回転が自動制御され、耕水量は
【００１２】で述べた（３）式のように太陽光の強さの１／２乗で変化することになって太陽光の変化による影響が軽減される。
【発明の実施例】
【００１６】  図１は太陽電池とＤＣモータと水面方向に広げた水掻き羽の特性の整合を図った本発明の実施例で、太陽のエネルギーだけで水底の無酸素化が防止出来るようにした底質改善装置である。太陽電池（１）の発電電流を直接ＤＣモータ（２）に通電して、太陽光の強さに比例したトルクでＤＣモータが回るようにする。減速機（３）でモータトルクを増幅し、水面方向に広げた水掻き羽根（４）を回して水面方向に広がる流れを起こす。これにより水底の水は水面に導かれて上昇して水面方向に広がり、流れの矢（５）の方向に流れる循環流が生じる。この流れで溶存酸素の高い水面の水が水底に還り、水底を這うように流れて水底に酸素を供給する仕組である。
【００１７】  図２はブラシを使用しないブラシレスＤＣモータやステッピングモータを用いた場合の駆動制御を表わすブロック図である。太陽電池（１）の発電電流はインバーター（６）を通して直接ブラシレスＤＣモータ（７）の駆動コイル（８）に通電される。この駆動コイルの回路に直列に挿入した微小抵抗（９）は回路に流れる電流値を測定するためのものである。駆動回路（１０）はこの抵抗の両端に現われる電圧を得て、モータの回転数が電流の、つまり太陽光の強さの１／２乗に比例するようにインバーターを制御する。これにより、
【００１１】で説明した（２）式が満たされるように回転数が自動制御されると、
【００１２】で述べた（３）式のように、太陽の光の強さの１／２乗で増減する耕水量が得られる仕組である。
【発明の効果】
【００１８】  太陽電池の発電電流を蓄電池に充電して１００Ｖの交流に変換し、交流モータで羽根を回す従来の方式の効率は、５０％以下の低い値である。しかし本発明の太陽電池と直流モータの直結方式によれば、７５％以上の効率が達成出来る。従って太陽電池の発電容量、つまり面積は従来の面積の７０％以下で間に合う計算である。
【００１９】  水車やポンプなどモータで駆動する一般の流体機械の場合は蓄電池の使用は避けられない。これ無しで本来の性能が発揮され、使用に耐える時間は４時間程度である。よく晴れた日の太陽の光の強さは１［ＳＵＮ］（１０００Ｗ／ｍ２）であるが、曇って１／２［ＳＵＮ］になると使用可不能である。しかし本発明によれば、光の強さが１／９［ＳＵＮ］に減少しても耕水量が１／３に低下するだけで使用不能にはならない。
【００２０】  ３月から９月の期間は水底が無酸素状態になりやすい時期である。が、本発明の方式によれば日の出から日没まで、およそ１０時間水を耕して水底に酸素を供給し続けるので水底は腐敗しない。また、日照時間が短くなる１１月から２月までの稼動時間は８時間程度に短縮される。しかしこの期間の水温は低くなっているため、水底はそれほど酸素を必要としていない。従って６時間駆動でも十分である。日が短くても長くてもそれとは無関係に、一年中、天候と季節に合わせて朝から晩まで水を耕し、水底の腐敗を防いで魚介類を育み、水を浄化するメンテナンスフリーの浄化システムを可能にするものである。
【００２１】  回転軸から水掻き羽根の先までの長さを１ｍに広げた羽根を、０．２５ｍ２の面積の太陽電池とブラシレスＤＣモータとの組み合わせで回せば、晴天雨天に関係なく、面積が１５００ｍ２で水深が１．５ｍの養殖池の腐敗を防ぐことが出来る。抗生物質やホルマリンなどの薬剤にに頼らない養殖、すなわち天然養殖の実現も夢ではない。
【００２２】  以上の説明から明らかなように、本発明によれば蓄電池は不要である。従ってメンテナンスの心配も要らない。数キロメートルに及ぶ広い池やダム湖、入り海に設置する場合、電源をどうするかが問題になるが、その心配も無用である。水のある所、どこにでも取付け可能で需要は無限である。水環境問題に限らない。水を耕して活性化された水底は、プランクトン（蛋白）を生産する畑である。この畑の蛋白の生産能率は、土を耕して大豆を植えて蛋白を生産する農業の２００倍だと云われている。地球人類の食糧問題、ＣＯ２削減による地球環境対策にも多大な貢献が期待出来る。太陽の光だけ、他は何も必要としない。高度な技術も薬剤もエネルギーも不要である。自然の時間に合わせて水を耕して自然の浄化力を引き出し、水底を活性化して魚介類を育んで水を浄化する、従来に例の無い底質改善装置を本発明は提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】  太陽電池とＤＣモータと水面方向に広げた水掻き羽の特性の整合を図った本発明の実施例である。
【図２】  ブラシを使用しない、ブラシレスＤＣモータを用いた場合の駆動制御を表わすブロック図である。
【符合の説明】
１  太陽電池                  ６  インバータ
２  ＤＣモータ                ７  ブラシレスＤＣモータ
３  減速機                    ８  駆動コイル
４  水掻き羽根                ９  駆動コイル電流検出抵抗
５  流れの矢                １０  駆動回路
【図１】
2005319435.tif 000003
【図２】
2005319435.tif 000004