JP5704928B2

JP5704928B2 - 水循環装置

Info

Publication number: JP5704928B2
Application number: JP2011003108A
Authority: JP
Inventors: 徹黒羽; 林　広道; 広道林; 高橋　健太; 健太高橋
Original assignee: 株式会社環境測定サービス; 北海道石油共同備蓄株式会社
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-01-11
Also published as: JP2012143697A

Description

本発明は池や湖などの浄化作用や防火用貯水池の結氷防止に好適な水循環装置に関する。

従来、この種の水循環装置として特許文献１に開示されたものが知られている。

この水循環装置は、円盤状のフロートを池等に浮かべ、フロートの下方に設けた上下２段の回転羽根により水を循環させる構造となっている。また、水循環装置は、各回転羽根のうち下位にある第１回転羽根は斜めに傾斜した傾斜羽根を有し、上位にある第２回転羽根は垂直に立った垂直羽根を有している。ここで、水循環装置のモータを駆動するときは各回転羽根が回転し、第１回転羽根の傾斜羽根により池の底側にある底部水を上方に向かって汲み上げ、更に、第２回転羽根の垂直羽根によりこれを水平方向に押し出す。これにより、池の水が全体的に上下に循環し、池の水を浄化する機能を発揮する。

以上のように、前記水循環装置が前述の如く池などの浄化作用に有用であることは既に知られているところではあるが、前記水循環装置を大型の防火用貯水池に設置するときは前記水循環機能により結氷防止作用も発揮することが実証されている。

即ち、寒冷地の北海道にある石油備蓄基地において、この基地に付設された防火用貯水池に前記水循環装置を設置したところ、外気に触れて結氷し易い上部水と外気の影響を受けにくい底部水が上下循環し、前記水循環装置が防火用貯水池の結氷を防止する手段として極めて有益なものであることが分かった。

特開平１０−１５６３８３２号公報

しかしながら、前記水循環装置では、第１回転羽根で汲み上げられた水を第２回転羽根で受容する構造を有していないため、第１回転羽根から汲み上げられた水の多くが各垂直羽根の間を通ってフロート側に抜けてしまい、その分、第２回転羽根の水平方向への押出力が小さく、池や防火用貯水池の水循環範囲が狭いという問題点を有していた。

本発明の目的は前記従来の課題に鑑み、第２回転羽根の水押出作用を向上させ、池などの浄化や防火用貯水池の結氷防止を広範囲に行うことができる水循環装置を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するため、水に浮かぶフロートと、フロートの下方に上下に配置され、かつ、回転駆動源の回転軸に連結された第１回転羽根及び第２回転羽根とを有し、下位の第１回転羽根により水を汲み上げ、第１回転羽根で汲み上げられた水を第２回転羽根の垂直羽根により水平方向に押し出す水循環装置において、垂直羽根には、垂直羽根の上辺に沿って所定幅で延び且つ略水平に形成した水平部を有する案内羽根を設け、前記案内羽根の長手方向寸法は前記垂直羽根の径寸法より短く形成し、かつ、前記第２回転羽根の回転軸から径方向先端に向かって延在している。

本発明によれば、第２回転羽根により汲み上げられた水の一部は案内羽根の水平部に当たり、フロート側への通過が規制される。これにより、第１回転羽根の垂直羽根で受ける水圧が高くなり、そして、垂直羽根の水平方向への押出力が大きくなる。この結果、第１回転羽根で汲み上げられた水が広範囲に行き渡る。

本発明は、案内羽根の長手方向寸法は垂直羽根の径寸法より短く形成した構造となっている。垂直羽根の長手方向全体に案内羽根を設けるときは、垂直羽根が受ける水圧が過剰に高くなり、第２回転羽根の駆動障害となるおそれがあるためである。

本発明は、案内羽根は第２回転羽根の回転軸から径方向先端に向かって延在した構造となっている。請求項３の発明によれば、第１回転羽根によって汲み上げられた水のうち、第２回転羽根の回転軸に近い箇所を通る水の一部が案内羽根により規制され、水平方向に押し出される。

本発明によれば、案内羽根の水平部で止められた水によって垂直羽根の押出力が大きくなるため、第２回転羽根で水平方向に押し出された水が遠くまで運ばれ、池全体が浄化されたり、或いは、防火用貯水池全体の結氷が防止される。

第１実施形態に係る水循環装置を示す斜視図第１実施形態に係る第１回転羽根及び第２回転羽根を示す斜視図第１実施形態に係る第１回転羽根及び第２回転羽根を示す平面図第１実施形態に係る傾斜羽根及び垂直羽根の取付角度を示す一部省略正面図第１実施形態に係る水循環装置を用いた防火用貯水池の水循環を示す説明図案内羽根の有無に伴う水循環装置の流速・流量実験を示す説明図案内羽根の有無に伴う水循環装置の流速実験データを示す表案内羽根の有無に伴う水循環装置の流量実験データを示す表第２実施形態に係る水循環装置を示す斜視図第２実施形態に係る第１回転羽根及び第２回転羽根を示す斜視図第２実施形態に係る第１回転羽根及び第２回転羽根を示す平面図

図１乃至図８は本発明に係る水循環装置の第１実施形態を示すものである。

この水循環装置１は、図１に示すように、円盤状のフロート２を有する。このフロート２は直径１ｍで厚さ１０ｃｍ程度のものを使用している。また、その浮力を付与するため、発泡プラスチックで形成するとともに、この発泡プラスチックの保持及び強化のため、発泡プラスチックの上面にＦＲＰ板を有している。これにより、１００ｋｇ程度のものをこのフロート２により支えることができる。また、このフロート２の上面には後述する第１回転羽根７及び第２回転羽根８の回転駆動源であるモータ３を設置している。なお、フロート２の発泡プラスチックとして、発泡ウレタン、発泡スチロール、発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピレンなどが掲げられるが、これに限らず、フェノール樹脂、ポリ塩化ビニル、ユリア樹脂、シリコーン、ポリイミド、メラミン樹脂などのプラスチックを発泡させたものを用いることもできる。本実施形態では製造上の簡便性から発泡ウレタンを用いた。

また、フロート２の周囲寄りに形成された４箇所の穴４は、花等を植え込んだ鉢を装着するためのもので、この水循環装置１を装飾できるようになっている。また、同じくフロート２の周囲寄りに設置された金具５は、図５に示した係留用のロープ６を係止するもので、これにより、水循環装置１を図５に示すように石油備蓄基地に付設された防火用貯水池Ａの所定箇所に係留できる。

このように構成されたフロート２の下方には、通常の水中ポンプに比べ圧倒的に大きな第１回転羽根７及び第２回転羽根８を上下に配置している。下位の第１回転羽根７は、環状の案内筒７ａと、この案内筒７ａの内側に等角度間隔で配置された４枚の傾斜羽根７ｂとにより構成され、この各傾斜羽根７ｂをモータ３の回転軸３ａに溶着し、モータ３の駆動により、第１回転羽根７が回転するようになっている。また、この各傾斜羽根７ｂは図４の(a)に示すように４５度の角度で回転軸３ａに溶着され、第１回転羽根７が回転するとき、図５の１点鎖線矢印に示すように、防火用貯水池Ａの底部水を水面側に向かって汲み上げるようになっている。

一方、上位の第２回転羽根８は等角度間隔で配置された４枚の垂直羽根８ａで構成され、この各羽根板８ａをモータ３の回転軸３ａに溶着しており、モータ３の駆動により回転するようになっている。また、この各垂直羽根８ａは図５の(b)に示すように９０度（回転軸３ａに平行）の角度で回転軸３ａに溶着された垂直羽根となっており、これにより、第２回転羽根８が回転するとき、図５の２点鎖線矢印に示すように、第１回転羽根７で汲み上げられた水が水循環装置１の周囲に向かって水平方向に押し出されるようになっている
第２回転羽根８の各垂直羽根８ａには案内羽根９を設けている。案内羽根９は、図２に示すように、垂直羽根８ａの上辺に沿って略水平に延在した水平部９ａと、水平部９ａの一端から直角に屈曲し垂直羽根８ａの側面に重なるように延在した垂直部９ｂとを有している。

また、案内羽根９の寸法は、図３に示すように、その長手方向の長さは３０ｃｍであり、幅方向の長さ（水平部９ａの幅寸法）が２ｃｍとなっている。ここで、垂直羽根８ａの長手方向の長さ（第２回転羽根８の半径寸法）が５０ｃｍとなっているため、案内羽根８ａの長手方向寸法は第２回転羽根８の半径寸法より短くなっている。

更に、案内羽根９の固定位置は、図２に示すように、第２回転羽根８の回転軸３ａ側から先端に向かって延在され、垂直羽根８ａの側面に垂直部９ｂを介してネジ止めされている。

次に、本実施形態に係る水循環装置１を用いて行う防火用貯水池Ａの結氷防止作用について説明する。

まず、水循環装置１を係留用のロープ６で防火用貯水池Ａの所定箇所に係留する。その後、外部電源からモータ３に給電してモータを駆動し、回転軸３ａに固着された第１回転羽根７及び第２回転羽根８を例えば毎分１０回転程度の低速で上から見て反時計回りに回転させる。この第１回転羽根７の回転により図５の１点鎖線矢印に示すように竜巻状の水流ができ、底部水が水面に向かって汲み上げられる。

この汲み上げられた水は第２回転羽根８の回転に巻き込まれ、図５の２点鎖線矢印に示すように、水平方向に押し出される。ここで、第２回転羽根８の各垂直羽根８ａが互いに間隔をおいて配置しているため、汲み上げられた水の一部が図６の(b)に示すようにフロート２に向かって抜け出る一方、同じく図６の(b)で示すように、一部は案内羽根９の水平部９ａで規制される。これにより、第２回転羽根８の垂直羽根８ａで受ける水圧が高くなり、そして、垂直羽根８ａの水平方向への押出力が大きくなる。

この結果、第１回転羽根７で汲み上げられた水が広範囲に循環するため、防火用貯水池Ａの水面温度が結氷温度以下となることがなく、防火用貯水池Ａの結氷を防止することができる。

なお、第１回転羽根７及び第２回転羽根８の回転数は防火用貯水池Ａの気温や水温などを考慮し、防火用貯水池Ａの結氷を防止し得る回転数を任意に設定すれば良い。

ここで、本実施形態に係る水循環装置は従来の水循環装置と異なり案内羽根９を有しているが、この案内羽根９の作用効果を明らかにするため、図６の(a)(b)に示すように水循環装置を設置し実験した。なお、図６の(a)は案内羽根９の無いタイプ（以下、第１水循環装置という）を示し、図６の(b)は案内羽根９を有するタイプ（以下、第２水循環装置という）を示している。

まず、この実験では、水槽Ａ内に各水循環装置を設置するとともに水平方向への流速を計測するために流速センサー１０を設置した。流速センサー１０の設置箇所は水深の異なる２箇所（水深０．１ｍ，０．２ｍ）と水循環装置からの距離の異なる２箇所（０．２ｍ，０．５ｍ）とを組み合わせ、合計４箇所の流速を計測した。

図７は計測結果を示す表であり、図７の(a)は第１水循環装置の流速を表し、図７の(b)は第２水循環装置の流速を表している。これらの表に基づいて、第１水循環装置の流速と第２水循環装置の流速を比較した。

即ち、図７の(a)に表示された第１水循環装置では、水深０．１ｍにおいては距離０．２ｍのときで平均流速０．２１ｍ／ｓｅｃ、距離０．５ｍのときで平均流速０．０９ｍ／ｓｅｃと変化し、また、水深０．２ｍにおいては距離０．２ｍのときで平均流速０．２１ｍ／ｓｅｃであり、距離０．５ｍのときは平均流速０．１５ｍ／ｓｅｃと変化している。このように、第１水循環装置の水平方向の流速は第１水循環装置に近い場所（０．２ｍ）では相応の流速（０．２１ｍ／ｓｅｃ）となっているが、これより離れた場所（０．５ｍ）では流速（０．０９ｍ／ｓｅｃ，０．１５ｍ／ｓｅｃ）と著しく低下していることが理解できる。

これに対して、図７の(b)に表示された第２水循環装置では、水深０．１ｍにおいては距離０．２ｍのときで平均流速０．１９ｍ／ｓｅｃ、距離０．５ｍのときで平均流速０．２１ｍ／ｓｅｃと変化し、また、水深０．２ｍにおいては距離０．２ｍのときで平均流速０．２０ｍ／ｓｅｃであり、距離０．５ｍのときは平均流速０．２２ｍ／ｓｅｃと変化している。このように、第２水循環装置の水平方向への流速は第２水循環装置に極めて近い場所（０．２ｍ）よりも離れた場所（０．５ｍ）の方が高くなっていることが理解できる。

図８は第１水循環装置と第２水循環装置の流量を比較した表である。なお、流量（ｍ³／ｓｅｃ）、流量（ｍ³／ｄａｙ）及び平均流量（ｍ³／ｄａｙ）は流速センサー１０で検知された流速に基づき計算して求められた値である。

図８に示すように、第１水循環装置と第２水循環装置とを比較すると、前述のように、第１水循環装置はその離れた箇所（０．５ｍ）において流速が著しく低下している分、平均流量（１０．３６４ｍ³／ｄａｙ，１２．３３７ｍ³／ｄａｙ）も少なく（図７の(a)）、これに対して、第２水循環装置はその離れた箇所（０．５ｍ）においても流速が低下することなく、所望の平均流量（１３．５８５ｍ³／ｄａｙ，１４．２３６ｍ³／ｄａｙ）となっている（図７の(b)）。

以上の実験によって、本実施形態に係る水循環装置１によれば、案内羽根９の水平部９ａで止められた水によって垂直羽根８ａの押出力が大きくなるため、第２回転羽根８で水平方向に押し出された水が遠くまで運ばれ、防火用貯水池Ａの結氷防止範囲が極めて広くなることが実証された。

なお、本実施形態では防火用貯水池Ａに用いた水循環装置１について説明したが、水循環装置１を池に設置するときは、池の底部水が汲み上げられ広範囲に循環するため、池全体の浄化に極めて良好となることは勿論である。

図９乃至図１１は水循環装置の第２実施形態を示すものである。前記第１実施形態に係る案内羽根８は回転軸３ａ側から先端に向かって延在されている。これに対して、本実施形態に係る案内羽根９は第２回転羽根８の径方向先端から回転軸３ｂに向かって延在した構造となっている。その他の構成は前記第１実施形態と同様である。

本実施形態によれば、前記第１実施形態と同様に案内羽根９の水平部９ａが汲み上げられた水を止め、底部水を水平方向に広範囲に循環させることができる。

また、本実施形態に係る案内羽根９は第２回転羽根８の径方向先端寄りとなっている分、水平部９ａで止められた水の圧力が回転軸３ｂに対して大きな負荷となって加わる。従って、第２実施形態に係る水循環装置１を用いるときはモータ出力の大きなものを選択すると良い。

なお、前記各実施形態に係る案内羽根９の長手方向寸法を垂直羽根８ａのそれより短くし、第２回転羽根８に対する負荷が過剰にならないよう設計している。

１…水循環装置、２…フロート、７…第１回転羽根、８…第２回転羽根、８ａ…垂直羽根、９…案内羽根、９ａ…水平部。

Claims

水に浮かぶフロートと、該フロートの下方に上下に配置され、かつ、回転駆動源の回転軸に連結された第１回転羽根及び第２回転羽根とを有し、下位の該第１回転羽根により水を汲み上げ、該第１回転羽根で汲み上げられた水を第２回転羽根の垂直羽根により水平方向に押し出す水循環装置において、
前記垂直羽根には、該垂直羽根の上辺に沿って所定幅で延び且つ略水平に形成した水平部を有する案内羽根を設け、
前記案内羽根の長手方向寸法は前記垂直羽根の径寸法より短く形成し、かつ、前記第２回転羽根の回転軸から径方向先端に向かって延在した
ことを特徴とする水循環装置。