JP6497847B2 - 広い池・湖沼・入り海の活性化を可能にした耕水機 - Google Patents

Description

技術の分野

本発明は、自然界の池・湖沼・入り海に浮かべて、ソーラーや風車が活用できるほどの省エネで湧昇流を引き起こして、広範囲に及ぶ循環流を起こすことにより、水底に堆積したヘドロに水中の酸素を供給して、水底のヘドロ化を防ぎ、広大な水域を大漁場に変えて水の浄化も可能にした耕水機に関するものである。

従来の浄水技術は技術の面に限らず、設備・維持経費の面でも行き詰まっていた。数千平方メートル程度の池になると浄化は無理で、未だに実施事例は報じられていない。増してや、広い池・湖沼・入り海の浄化は無理で、手の打ちようがないと諦めていた。

これは、魚介類の作用で水が浄化されているという大自然の自浄の原理に学ばないで、水を浄化することだけに目を奪われて、無駄な規制や事業に国家的な予算を投じてきた結果である。

この行き詰まりを打開したのが特許文献に開示されている“浮遊型省エネ浄水機”であった。現在、バイオファン（耕水機）としてアジア全土に普及されていて、エビ・ナマコ・ウナギ・上海ガニ等の養殖に活用されている。電力の大幅な節減による経済的効果は多大で、多くの分野で脚光を浴びていて、中国では国の補助金で普及活動が行われていて、世界制覇の勢いである。
特許第３３６００７５号公報

日本での普及はわずか数百台に過ぎないが、現時点で知る限り、中国・フィリピン・マレーシア・インドネシア・台湾・ベトナム・サウジアラビア等、アジア全土で１５０００台以上の耕水機が活用されている。

しかし、耕水機本来の機能が十分発揮されていない。４０％しか発揮されていないが、１ｈａ程度の浅い池や養殖池なら、台数を増やすことで賄えるという考えが蔓延していて、６０００台で済むところに１５０００台使用していて、９０００台もの無駄をしているのが実状である。

しかし、無駄で済まされない課題もある。深くて広い池や、密度差の大きい汽水湖については話は別で、台数ではカバーすることはできない。広い池や湖沼・入り海に活用された事例はまだ報告されていないが、この伸び悩みは、耕水機を構成している理論を無視して浮かべても、効果が得られているという甘えによるものである。

水底のヘドロ化は天則による自然現象で、池・湖沼・入り海の状態移行を支配している大自然の原理によるものである。従って外部から手を加えないとヘドロ化は止まらない。水を透明にして、水底面で光合成が行われるようにするか、耕水機で水を耕して水底面に酸素を供給するか二つにひとつである。

ヘドロ化は魚介類の斃死と水質の悪化を招く原因になっているので、これまで、水を透明にする試みはいろいろ成されて来た。リン・窒素が流入すると植物プランクトンが増殖して透明度が低下する。そこでリン・窒素の放流を規制した。規制を厳しくしてもだめで浚渫もした。それでも良くならない。今度は川から清水を導入して濁水を排除することも試みた。何をやってもだめで、岸に吹き溜まるアオコの除去対策も実施した。環境対策を口実に、これらの非生産的な事業に膨大な費用を浪費して無駄を行ってきた。日本では、耕水機が普及されている現在でも事業が続けられているが、ヘドロ化は進む一方である。全国の池・湖沼・入り海における漁獲量が１／１０に激減し、水産業が衰退の一途を辿っているのが実状である。

透明化は元々無理な話である。活きてプランクトンの増殖が盛んに行われている広大な水域を人為的に透明にできるはずがない。何より、透明にするには魚介類の増殖を抑制しなければならないが、これは魚介類の作用で池・湖沼・入り海を浄化している、大自然の自浄の原理に逆らうことで、自然の生態系を破壊する行為である。

従って、ヘドロ化を抑える方法は二つにひとつ、耕水原理に限定される。この原理は、耕水機で水を耕して、広大な水底面に生じる層流のローテーション効果を利用して、水中の酸素を水底面に供給することでヘドロ化を防ぎ、広大な水域を、省エネで大漁場に復元して水も浄化するものである。この原理によると、透明度を気にしないでリン・窒素を投入して、プランクトンの大増殖が図れるので、広大な水域は宝の漁場に復元され、増えた魚介類の作用で水も自然に浄化されて行き、日本が抱える難問課題も日毎に解消されて行くようになる。

本発明に関する大型耕水機の開発には、省エネで世界の水環境を護って漁業の復興を図る未来技術の開発の精魂が込められている。本発明による大型耕水機に要求されるのは、省エネで広範囲に広がる流れを水面に起こして、空気中の酸素を水中に取り込み、水の臭気を発散させる機能と、広大な水底面に層流を引き起こす機能を高めることである。

また、耕水機に今求められているのは、耕水機が本来具備している機能を１００％発揮させて無駄を無くすことである。それに加えて、ソーラーや風車で広大な水域のヘドロ化を防ぎ、大漁場に変えて水も浄化するほどの大型耕水機の開発も切望されている。これに応えるのが本発明の課題である。

放射状に広げて浮かべた水掻き羽根を低速で回して、水面に広がる流れを起こすと、水底の水はその流れに導かれて上昇し、水底には底面を這うように流れて上昇流の起点に集まる層流が生じる。

この水底面に生じた層流のローテーション効果を利用して、ヘドロに酸素を供給してプランクトンを生産し、風と太陽の光を受けて広がる水面の流れで、広大な水域を大漁場に変えて水も浄化する耕水原理は、アジア全土で活用されている。しかし、まだその機能が十分発揮されているとは言えない。これは耕水原理を構築している耕水理論がよく理解されていないところから来るものである。

そこで耕水理論を完全に満たす耕水機が得られるように、耕水機の水掻き羽根の長さと幅と、羽根を回すパワーと、羽根の回転数を理論に導入して、耕水理論を五つの設計条件式に書き換えた。これら全ての条件式を満たすように、水掻き羽根の形状を設定することで、従来の耕水機の機能が大幅に改良されるようにした。理論を変形して求めたこれらの条件式は、大型耕水機の開発も可能にするものである。

流体力学の盲点を突いて桁違いの省エネ理論を構築し、その理論式に含まれる係数を長年にわたる検証実験と、多岐にわたって実施された実例を通じて確立された世界無二の理論体系を、簡潔な五つの設計条件式にまとめると下記のように表される。

Ｐ；水掻き羽根を回す駆動機構の出力パワー
Ｒ；水掻き羽根の長さ
Ｗ；水掻き羽根の幅
ｆ；水掻き羽根の回転数
Ｍ；耕水量（循環水量）
ｒ；流れが及ぶ有効距離
Ｓ；酸素を得て活きた水底面の面積
Ｈ；平均水深
Δρ；表層と水底水の密度差
Ｔ；水面から水底に向かって行われる密度の一様化が、水底面に到達するまでの日数
Ｋ_０〜Ｋ_５；理論を検証する実験と、水底を活かした多くの実例で得られた係数とαとβ を含む定数
ｋ_１，ｋ_２；水掻き羽根の回転が水の旋回におよぼす割合を表す係数

水掻き羽根の回転軸９を中心にして広がる流れが及ぶ有効距離（半径）ｒは［数３］で表される。これによると、流れが遠方に及ぶようにするには、耕水量Ｍを大きくしなければならない。が、これを省エネで行うには、［数１］と［数２］を満たすように、水掻き板の幅Ｗは大きく、羽根の回転数ｆは可能な限り小さくして、水掻き羽根の長さＲを出来るだけ長くするようにしなければならない。

ところが［数４］によると、活性化される水底の面積は、Ｗを大きくすると狭くなってしまう。無制限に幅Ｗを大きくすることは許されない。だからといってＲを長くしてＳが広くなるようにすると、今度は水底面に層流を引き起こすための［数５］の式が満たされなくなってしまう。この［数５］はヘドロ化を防ぐための絶対条件なので、水掻き板の形状は［数５］を満たすように成形されねばならない。

耕水機に要求されるのは、省エネで広大な水底面に流れを起こしてヘドロ化を防ぐことである。それには、羽根を回す駆動機構の出力パワーＰに合わせて、［数１］［数２］［数３］［数４］が満たされるようなＲとＷを求め、そのＲとＷが［数５］の絶対条件も満たすように決定されねばならない。それを可能にして、耕水機の機能を最大限に高めるのが本発明の水掻き板である。従って、本発明は耕水機の機能を最大限に発揮させるのに必要不可欠なものだと言える。

幅Ｗだけに頼らないで、羽根を回すパワーＰを大きくすることも考えられる。しかしこれにも限度がある。広い池や湖沼・入り海を大漁場に変えて水を浄化するには、ソーラーや風車による発電に頼らねばならない。それには、［数１］と［数３］が示しているように、Ｒを可能な限り長くして、省エネ効果が最大限に発揮されるようにする必要がある。

ところが［数５］が示しているように、Ｒを長くすると深いところから水が上昇し難くなって、ヘドロ化防止の絶対条件が満たされなくなってしまう。特に、水深Ｈが深く、面積Ｓが広くて、表層と水底水の密度差Δρの大きい池や湖沼・入り海の場合は、Ｒを長くするのが必要条件であるが、このジレンマをどうするかが問題である。

このような場合は、［図２］のように、幅がＷ_１で長さがＲ_１の水掻き羽根で先ず水底の水を導いて、上昇してきた水を、幅がＷ_２で長さがＲ_２の水掻き羽根で水を掻くようにする。この方法によると、Ｗ_２とＲ_２で［数１］［数２］［数３］［数４］が満たされるようにして、［数５］はＷ_１とＲ_１で満たされるようにすることができるので、ソーラーや風車で広大な水域を大漁場に変えて水も浄化する、大型耕水機の設計が自由自在に行えるようになる。

本発明によると、五つの設計条件式が完全に満たされるようになる。従来、養殖に使用されている５０Ｗ型の耕水機の機能は４０％であったが、計算して成形した水掻き板で、水面に流れを引き起こすようにすると、機能が１００％までアップされて、２．５倍の効果が得られるようになる。

アジア全土で現在約３８００ｈａの池に１５０００台の耕水機を浮かべて、養殖が行われているが、本発明によると、６０００台で十分賄えることになり、これにより節減される電力は４５０ｋｗである。

また、現在普及されている耕水機のＲは１〜２ｍ程度で、ヘドロ化防止面積は、水深が１．５ｍ〜３ｍの公園の池やゴルフ場の池では、１台で５０００ｍ^２程度である。養殖では１０００ｍ^２程度で、これでは深くて広い池や湖沼・入り海の広さに対応できない。しかし本発明の［図２］の水掻き板を用いると、Ｒを長くして省エネ効果を高めて、深い所の水も導けるようになるため、ソーラーや風車で広大な水域を大漁場に変えて、水も浄化できるようになる。本発明によるこの前代未聞の大型耕水機が、世界の池や湖沼・入り海に浮ぶようになるのは確実で、疑う余地のないことである。

沿岸の距離が１．５ｋｍで、入り江の幅の平均が７６０ｍ、平均水深が４ｍの遠浅の汽水湖の入り江のヘドロ化をなくして漁業を盛んにしたい。現在養殖に使用されている５０Ｗ型の耕水機を用いることにすると、２８０台必要である。これだと使用電力が１４ｋｗにもなり、維持管理が大変で、漁船の運航の妨げにもなって実用上問題がある。そこで、入り江の形状も考慮して、本発明の水掻き板による大型耕水機を２台浮かべることにする。

まず［数３］によると、耕水量を多くしないと流れは遠方に及ばない。しかし［数１］［数２］によると、それには羽根を回すパワーＰを大きくするか、羽根の回転数ｆを小さくして水掻き羽根の長さＲを長くするか、それとも水掻き羽根の幅Ｗを広くするかどうするかの検討が要求される。ところが［数４］によると、水掻き羽根の幅Ｗを広くし過ぎると、活性化面積が狭くなるので好ましくない。しかし、これをあまり狭くすると［数５］が満たされなくなって、流れが水底面に達しなくなる。ヘドロ化を防いで１１４ｈａの入り江を大漁場に復元するには、［数１］［数２］［数３］［数４］の設計条件式を満たして、さらに［数５］の絶対条件式も満たすようにしなければならない。

そこで先ず問題になるのはＴの見積もりである。水面から水底方向に行われる水の密度の一様化が水底に達するまでの日数、つまり、水底面に流れが及ぶまでの日数Ｔをどうするかである。雨が降ると、表層の塩分濃度が小さくなって、水面と水底に密度差が生じる。すると流れが水底面に届き難くなるので、少なくとも６日以内で密度差が無くなって、流れが水底に及ぶようにしないと、水底面を覆い尽くしている好気性微生物に変化を来す恐れがある。そこで、Ｔを６日として活性化面積は１台当たり入り江の面積の１／２、すなわちＳは５７ｈａとする。また、将来、ソーラーや風力発電に頼ることになるので、省エネのことも考慮して７５０Ｗのモーターを用いることにする。すると、２台で１．４ｋｗのソーラーや風車の発電設備が必要になるが、１１４ｈａの入り江を大漁場に復元して水も浄化する設備としては十分採算が合うので問題にする程ではない。

次に問題なのはＲとＷの設定である。［数１］［数２］［数３］［数４］を考慮しながら、［数５］の絶対条件を満たすＲとＷを決定しなければならない。そこで、１１４ｈａの入り江では１．５ｍの水深まで風の影響が及んでいることを考慮して、まず、［図２］において、Ｗ_１が３．５ｍでＲ_１が４．５ｍの水掻き板を用いて、水底の水を水面下３．５ｍのところまで導くことにする。その水を、Ｗ_２が１．５ｍでＲ_２が６．９ｍの水掻き板で広範囲に広げるように設計する。このように成形した［図２］の水掻き羽根を、１．５ｋｗの電力で２分間に約１回転するようにする。すると、本大型耕水機１台で５７ｈａ、２台で１１４ｈａの入り江が宝の漁場に変わり水質も改善されて、その活きた状態は永久に維持されて行くようになる計算である。

水中のリン・窒素を排除して、植物プランクトンの増殖を抑えて水を透明にすると、ヘドロ化が解消されるが魚介類は育たない。そこでリン・窒素を投入して植物プランクトンの増殖を図って、光合成を盛んにして酸素を生産し、魚介類を増やそうとすると透明度が悪化してヘドロ化が進み、魚介類の斃死を招いて水質も悪化してしまう。こうしたジレンマに陥って行き詰まり、従来の浄水技術は技術の面でも、設備や維持管理の面でも限界に達していた。

何をやってもだめ、手の打ちようが無い。この諦めの現状を打開したのが耕水原理であった。現在アジアで３８００ｈａの陸上養殖に使用されている耕水機だけで見積もっても、これまで養殖に消費されていた約１５０００ｋｗの電力が１／２０に節減されている。これが五つの設計条件式を満たすように設計された、本発明の水掻き板によると、１／５０に節減される計算である。将来養殖に使用される耕水機の台数は膨大で、中国だけでも数十万台と言われている。これからすると、本発明の産業に及ぼす省エネ効果には計り知れないものがある。

陸上養殖に限らない。例えば、本発明で設計された大型耕水機を２台、１１４ｈａの入り江に浮かべると、１日に光合成で生産される酸素は２９ｔで、水底の活性化で１日に生産されるワムシ等のプランクトンは２３ｔと見積もることができる。また、今アジア全土で耕水機を用いて生産されているエビ養殖で見積もると、１１４ｈａの入り江で生息可能な魚介類の量は、少なく見積もっても２０００ｔである。このように、本発明による大型耕水機は、蛋白源の確保と水の浄化に貢献するもので、世界の池・湖沼・入り海を活かす未来技術の開発の礎となるものである。

漁業の振興に限らない。際立って優れているのは水の浄化である。腐敗した水底面で生じている、魚介類に有害な悪いアオコと悪いＣＯＤは、水底面に酸素を供給することでひと月で消滅してしまう。水質は年々改善されて行くようになって、悪化する方向へ移行することは決して無い。その活きた輝きは永久である。また、これは世界的に言えることだが、水の浄化に使用している膨大な設備が不要になり、維持費と電力の浪費も無くなるので、本発明が産業に及ぼす効果は甚大である。

耕水原理は未来技術の礎となる原理として多くの期待が込められて来た。この耕水原理の機能を高める本発明は、世界がしのぎを削る省エネ・水の浄化・食料対策・環境問題に応えて貢献するもので、未来技術の開発に及ぼす効果には計り知れないものがある。

産業・農業・水産業は水の浄化設備を抱え、膨大な電力を消費しているが、畜産業が廃棄するバイオマスをプランクトン増殖材に加工して、耕水機を浮かべた農業用水池に投入すると、魚介類を生産しながら野菜が育つ活きた水の永久確保も保証される。畜産業・農業・水産業の水の浄化設備が不要になって、これらの産業が水の浄化に消費している電力が１／５０以下に節減されるのは確実である。中国の上海では既にこの方向に動き始めている。

本発明による大型耕水機によると、広大なラグーンや湖沼・入り海に浮かべて、畜産業と農業と水産業の融合を図る新産業が生まれ、雇用が促進されて、中高年世代や仕事を求める若者が、明るく健康に暮らせる理想郷の創設も期待できるようになる。これは決して夢ではない。

本発明の水掻き羽根を省エネで回して、広大な水域を漁場に変えて水も浄化する耕水機の構成を表す図である。 水底の水を水面に導く効果を高め、広範囲に広がる流れを省エネで起こして、ヘドロに酸素を供給する機能を高めるようにした水掻き板の一実施の形状を示す図である。

１ 駆動機構の保護カバー
２ 固定バー
３ 固定ロープ
４ バランサー
５ フロート
６ 水掻きアーム
７ 水掻き板
８ 電源コード
９ 水掻き羽根の回転軸
１０ 水面
Ｗ_１； 水底面に層流を引き起こす水掻き板の幅
Ｒ_１； 水底面に層流を引き起こす水掻き板の先端から回転軸までの距離
Ｗ_２； 水面に広がる流れを起こす水掻き板の幅
Ｒ_２； 水面に広がる流れを起こす水掻き板の先端から回転軸までの距離
α，β；水掻き板の長さを決める係数

Claims (2)

1. 水面に対して垂直方向に設けられた回転軸から放射状に広げて浮かべた複数枚の板状の水掻き羽根を有し、該水掻き羽根の回転軸から遠い所の上下方向の幅を回転軸に近い所の水掻き羽根の上下方向の幅より狭くなるように成形した水掻き羽根を回転軸周りに回転させることにより、幅の広い水掻き羽根の所で上昇した底水を、幅の狭い水掻き羽根の所で水面方向に広げて、底水と外気との接触を高めることにより、水中に酸素を取り込み、水から臭気を発散させる機能が発揮されるようにした耕水機。
2. 水掻き羽根を回す駆動機構は、フロートで浮かべるようにして、そのフロートの周辺に配置したバランサーで、全体の平衡を保つようにした請求項１の耕水機。
   

Images