風力水浄化装置
【課題】従来の、風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置では、場所や時間によって大きく変動する風力エネルギを効率的に利用できない、という問題があった。
【解決手段】スクリュー９は、回転動力が伝達されるスクリュー軸８によって回転するブレード支持体４０と、該ブレード支持体４０の外周にブレード軸４１を介して回動可能に支承されるブレード４２・１４２とを備えると共に、該ブレード４２とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角５１・１５１を前記スクリュー９の回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構３８・１３８と、前記スクリュー９を取り囲む水路５８をブレード支持体４０との間に形成する筒体３２とを設けた。
【解決手段】スクリュー９は、回転動力が伝達されるスクリュー軸８によって回転するブレード支持体４０と、該ブレード支持体４０の外周にブレード軸４１を介して回動可能に支承されるブレード４２・１４２とを備えると共に、該ブレード４２とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角５１・１５１を前記スクリュー９の回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構３８・１３８と、前記スクリュー９を取り囲む水路５８をブレード支持体４０との間に形成する筒体３２とを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置に関し、特に、風力の大きさに応じて安定した水流を発生可能な水流発生ユニットの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湖沼、貯水池や海湾奥等の閉鎖系水域において、水が滞留してアオコや赤潮等が発生する場合には、電動モータやエンジンで駆動される水中ポンプやスクリュー等を使って水攪拌を行うが、省エネの観点から風の運動エネルギである風力エネルギを利用し、該風力エネルギを風車で回転エネルギに変えて回転動力を発生させ、該回転動力によって水中のスクリューを直接に回転駆動し、水流を発生させて水攪拌を行う技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−４７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術では、場所や時間によって大きく変動する風力エネルギを効率的に利用できない、という問題があった。
例えば、風力が小さい低風力状態の場合、スクリューの回転動力が、回転時にスクリューのブレードが水から受ける抗力よりも小さくなると、スクリューが回転起動できない。逆に、風力が大きい高風力状態の場合、スクリューの回転動力が、回転時にブレードの受ける抗力に比べて過大になると、スクリューが極めて高速で回転し、発生する大量の水流から受ける反力により、下降流では、風力水浄化装置が水面近くまで持ち上げられてバランスを崩して転倒し、逆に、上昇流では、風力水浄化装置が水中深くまで引き込まれて風車や動力伝達経路が浸水して故障する。このため、装置寿命が悪化すると共に、安定した水流発生が難しい、という問題があった。
そこで、このような回転起動性・設置安定性向上の観点から、ブレードとスクリュー回転面との成す角度（以下、「傾き角」とする）を初めから小さく設定することにより、風力の大小にかかわらず、ブレードの受ける抗力とブレードの押し出す水量を減少させておく対応が考えられる。しかしながら、それでは、せっかく風力が増加しても十分な量の水流が得られず、風力エネルギが無駄になる、という問題があった。
加えて、時間変動が大きい風力エネルギを利用するため、スクリューの回転動力が時間によって大きく変動し、発生する水流も脈流となりやすく、しかも、該スクリューの周囲はフロートが配置されているだけでほとんど開放状態にある。このため、発生した水流の大半は脈流となって周囲に分散され、十分な量の安定した水流が得られない、という問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１においては、水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置において、前記スクリューは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸によって回転するブレード支持体と、該ブレード支持体の外周にブレード軸を介して回動可能に支承されるブレードとを備えると共に、該ブレードとスクリューの回転面との成す傾き角を前記スクリューの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構と、前記スクリューを取り囲む水路をブレード支持体との間に形成する筒体とを設けたものである。
請求項２においては、前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に沿って流れる水流の上手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を増加させるものである。
請求項３においては、前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に流れる水流の下手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を減少させるものである。
請求項４においては、前記風車からの回転動力の不足分を補う補助動力機構を付設するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１において、低風力状態にあってスクリューの回転動力が小さい場合には、最初は傾き角を小さくすることにより、水中移動中のブレードにおいて水から抵抗を受ける部分の断面積（以下、「抵抗断面積」とする）を減少させて、ブレードの受ける抗力を減らすことができ、スクリューの回転起動性を向上できる。スクリューが回転起動してから安定回転中は、傾き角を大きくすることにより、ブレードの押し出す水量を増加させて、十分な水流が確保できる。高風力状態にあってスクリューの回転動力が大きい場合には、傾き角を小さくせずとも、スクリューを容易に回転起動でき、スクリューが回転起動した後も、十分な水流を確保できる。そして、時間とともに回転動力が増加してスクリューが高速で回転すると、傾き角を小さくすることにより、ブレードの押し出す水量を減少させ、風力水浄化装置が水流の反力により転倒・浸水することを防止して風力水浄化装置の設置安定性を向上できる。更に、前記筒体により、スクリューの周囲の水路を通過する間に、その流路抵抗によって脈流が緩和され、しかも途中で開放されることがなく無駄に周囲に分散されず、均一で十分な量の一連の水流を確保できる。このようにして、前記角度制御機構と筒体とにより、回転起動性・設置安定性・水流安定性を向上させることができ、風力エネルギの効率的な利用が可能となる。
請求項２により、オフセット構造と戻しばねとから成る簡単な構成によって、低風力状態においても、スクリューの回転起動性を向上させつつ、十分な水流を確保することができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項３により、オフセット構造と戻しばねとから成る簡単な構成によって、高風力状態においても、風力水浄化装置の設置安定性を向上させることができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項４により、極めて低風力状態にあってスクリューを回転駆動できない場合でも、補助動力機構からの回転動力によってスクリューを回転駆動することができ、風力水浄化装置の常時安定駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わる風力水浄化装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】風車の外観図であって、図２（ａ）は風車の平面図、図２（ｂ）は同じく側面図である。
【図３】伝動支持装置の側面一部断面図である。
【図４】スクリューの側面一部断面図である。
【図５】低風力状態に対応するスクリューの平面図である。
【図６】同じく側面図であって、図６（ａ）はブレード初期位置におけるスクリューの側面図、図６（ｂ）はブレード立ち上がり位置におけるスクリューの側面図、図６（ｃ）はブレード初期位置復帰時のスクリューの側面図である。
【図７】高風力状態に対応するスクリューの平面図である。
【図８】同じく側面図であって、図８（ａ）はブレード初期位置におけるスクリューの側面図、図８（ｂ）はブレード略水平位置におけるスクリューの側面図、図８（ｃ）はブレード初期位置復帰時のスクリューの側面図である。
【図９】フローガイドの側面図である。
【図１０】同じく平面図である。
【図１１】別形態の風力水浄化装置の全体構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明に関わる風力水浄化装置１の全体構成について、図１乃至図３により説明する。
該風力水浄化装置１は、水域の水面４上に浮かべて風車５により風力を回転動力に変換する風車ユニット２と、該回転動力によりスクリュー９を回転して水流を発生する水流発生ユニット３とにより構成され、該水流発生ユニット３は前記風車ユニット２の下方に吊設されている。
【０００９】
前記風車ユニット２においては、ステンレス・プラスチック等の中空材や木材・発泡スチロール等の中実材から成る複数のフロート１２上に、板状の基台本体１１を載置固定することにより、基台７が形成され、該基台本体１１の平面視略中央部には、伝動支持装置６が立設される。
【００１０】
該伝動支持装置６は、前記基台本体１１の上面に複数のボルト１３によってフランジ部１４ａが締結固定されたパイプ１４と、該パイプ１４内側の上下部にそれぞれ嵌装されたボス１５・１６と、該ボス１５・１６によって回動可能に支持される伝達軸２０とから構成される。
【００１１】
伝達軸２０は、上軸部２０ａと下軸部２０ｂとから構成される。そして、前記上軸部２０ａの下端の凹部２０ａ１に下軸部２０ｂの先細り部２０ｂ１を下から挿入した後、前記上軸部２０ａの半径方向に穿孔した螺孔に、前記パイプ１４側面の開口部１４ｂからボルト２１・２１を螺挿し、該ボルト２１・２１の先端を前記先細り部２０ｂ１の側面に押圧することにより、上軸部２０ａと下軸部２０ｂとを一体的に連結するようにしている。
【００１２】
前記上軸部２０ａの上下端部を、それぞれ、前記ボス１５の軸受け１７とボス１６の軸受け１８によって回動可能に支持した上で、シール材１９を介して、上下から、それぞれ蓋体２２・２３を覆設し、該蓋体２２・２３を、それぞれ前記ボス１５・１６に締結固定することにより、上軸部２０ａがボス１５・１６から脱着しないようにしている。
【００１３】
すなわち、伝達軸２０を複数の部材である上軸部２０ａ・下軸部２０ｂから構成すると共に、このうちの上軸部２０ａのみにパイプ１４との軸受け１７・１８を設けて抜け止めが施されているので、パイプ１４への伝達軸２０の組み込みが容易となり、伝動支持装置６の組立性が向上する。そして、このような伝動支持装置６の伝達軸２０の上端には、前記風車５が連結されている。
【００１４】
該風車５は、前記伝達軸２０と同軸上で上方に延設された縦軸２５と、該縦軸２５に支持される一対の羽根２６・２６と、該羽根２６・２６の上下端を挟むように配置された円盤状の天板２７・底板２８とから構成される。
【００１５】
前記縦軸２５の下端には、フランジ部２５ｂが形成され、該フランジ部２５ｂの上面に前記底板２８を載置した上で、該底板２８の上方から複数のボルト２４を螺挿して、底板２８、フランジ部２５ｂ、及び前記上軸部２０ａ上端のフランジ部２０ａ２を互いに締結する。
【００１６】
縦軸２５の上端にも、フランジ部２５ａが形成され、該フランジ部２５ａの下面に前記天板２７を下から当接した上で、前記フランジ部２５ａの上方から複数のボルト２４を螺挿して、フランジ部２５ａに天板２７を締結する。
【００１７】
そして、前記一対の羽根２６・２６は、これら天板２７・底板２８との間に配置される。該羽根２６・２６は、いずれも半割状であって、その凸部側が時計方向（以下、「正転方向」とする）Ｆに向かうようにして、平面視で前記縦軸２５を挟んだ点対称位置に配置されると共に、その内側縁２６ａ・２６ａが前記縦軸２５の周りに固設される。
【００１８】
前記羽根２６・２６の上下端は、それぞれ、天板２７の下面と底板２８の上面に固設されており、これにより、羽根２６・２６の剛性を高めることができ、たとえ高風力状態で羽根２６・２６が高速回転しても変形しないようにして、部品寿命の向上を図っている。
【００１９】
また、前記水流発生ユニット３においては、前記伝達軸２０と同軸上にスクリュー軸８が延設される。該スクリュー軸８の上端には、フランジ部８ａが形成され、該フランジ部８ａが、前記下軸部２０ｂ下端のフランジ部２０ｂ２に、ボルト３０によって締結されている。
【００２０】
これにより、前記羽根２６・２６の凹部側が風を受けると風車５が正転方向Ｆに回転し、その回転動力は、回転方向を変えることなく、縦軸２５が連結された伝達軸２０からスクリュー軸８に伝達される。そして、このようなスクリュー軸８の下端には、後述のようにして、スクリュー９が連結されると共に、該スクリュー９と前記スクリュー軸８を取り囲むようにして、フローガイド１０が配設される。
【００２１】
次に、前記スクリュー９について、図４乃至図６により説明する。
該スクリュー９において、その柱状のブレード支持体４０の上面に、前記スクリュー軸８下端のフランジ部８ｂがボルト３９によって締結されると共に、ブレード支持体４０の上半部の外周側面には、複数の筒状の支持凹部４０ａが、ブレード支持体４０の回転軸心４６を中心とした放射状に、等間隔で形成される。更に、ブレード支持体４０の下半部は、空洞化されてスクリュー９の軽量化が図られると共に、その下端は球面に形成されてスクリュー９の回転時の抵抗抑制が図られている。
【００２２】
前記支持凹部４０ａ内では、軸支持体４３の内半部を構成するねじ部４３ａが、座金４５を介して、前記ブレード支持体４０に螺挿固定されると共に、軸支持体４３の外半部を構成する軸支持筒４３ｂには、ブレード軸４１の軸本体４１ａが回動可能に挿入されている。
【００２３】
該軸本体４１ａでブレード支持体４０の近傍には、外径が軸本体４１ａよりも大きく、かつ支持凹部４０ａの内径と略同径であるリング状のブレード受け４１ｂが外嵌固定される。該ブレード受け４１ｂには、前記軸支持筒４３ｂの周囲に巻回した捩りコイル状の戻しばね４４の一端の係止部４４ａが係止される一方、該戻しばね４４の他端は、前記軸支持筒４３ｂに係止されている。これにより、ブレード軸４１が外部からの負荷により回転軸心４７を中心に回動しても、戻しばね４４の弾性力により、ブレード軸４１は図６（ａ）に示す無負荷状態の初期位置４９に戻る方向に常時付勢される。
【００２４】
更に、このような軸本体４１ａの外端には、固定ボルト４１ｃが螺挿され、該固定ボルト４１ｃと、前記ブレード受け４１ｂ内縁の階段状の凹部４１ｂ１との間に取付筒部４２ａが着脱可能に装着される。そして、該取付筒部４２ａを挟んで正転方向Ｆの前後に、扇形状の前翼４２ｂと後翼４２ｃを固設することにより、ブレード４２が構成されている。
【００２５】
以上のようにして、前記ブレード支持体４０の外周には、同一水平面上で等間隔に３個の前記支持凹部４０ａが形成され、該支持凹部４０ａには、前記ブレード４２を取り付けたブレード軸４１が、初期位置４９に戻るように常時付勢された状態で、回動可能に支承されている。
【００２６】
また、このような構成からなるスクリュー９が正転方向Ｆに回転すると、該正転方向Ｆに向かって回転する３枚の前記ブレード４２により水が下方に押し出され、それに伴い、スクリュー９の回転軸心４６の方向に沿って、下降流３４が発生する。
【００２７】
ここで、前記ブレード４２は、正転方向Ｆに向かって斜め上方に傾斜しており、初期位置４９に戻るように付勢された状態で、側面視でブレード４２の外周縁とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角が５１に設定されている。そして、このようなブレード４２が水から受ける抗力の中心（以下、「抗力中心」とする）Ｄは、ブレード軸４１の回転軸心４７から、下降流３４の上手側に、長さ５７だけ偏移させた位置に設定される。
【００２８】
このようなオフセット構造５６は、本実施例の場合、図５に示すように、前翼４２ｂの中心角５４を後翼４２ｃの中心角５５よりも大きくして、前翼４２ｂの面積を後翼４２ｃの面積よりも拡大することにより、前記抗力中心Ｄを下降流３４の上手側に偏移させる構成としている。なお、前翼４２ｂと後翼４２ｃの形状を変えることで抗力中心Ｄを調整するようにしてもよく、オフセット構造５６の構成は特には限定されない。
【００２９】
また、このようなオフセット構造５６と前記戻しばね４４とを備える角度制御機構３８の動作について説明する。
低風力状態にあってスクリュー９の回転動力が小さい場合には、図６（ａ）に示すように、初期の傾き角５１を小さく設定することにより、ブレード４２の抵抗断面積を減少させ、回転起動時に水から受ける抗力Ｐ０を減らすようにしている。これにより、低風力であっても、抗力Ｐ０を容易に上回り、スクリュー９を回転起動させることができる。
【００３０】
該スクリュー９が回転起動してから、風車５が安定回転し始めて回転速度が増加していくと、図６（ｂ）に示すように、前記抗力中心Ｄに集中する抗力もＰＯからＰ１まで増加する。そして、該抗力Ｐ１によるブレード４２の傾き角増加方向へのモーメントＭ１が、前記戻しばね４４の弾性力によるブレード４２の傾き角減少方向へのモーメントＭ２よりも大きくなると、ブレード４２の傾き角は５１から増加し、両モーメントＭ１・Ｍ２がバランスする傾き角５２で安定する。これにより、ブレード４２が前記初期位置４９から立ち上がり位置５０まで変化して、ブレード４２の押し出す水量も増加し、発生する下降流も３４から３４Ｈまで増えて十分な水量が確保できる。なお、この水量は、前記戻しばね４４の弾性力を調整して傾き角５２を変えることにより、自在に調整することができる。
【００３１】
その後、図６（ｃ）に示すように、風力が低下して抗力がＰ１から元のＰ０まで減少し、該抗力Ｐ０によるモーメントＭ１が、前記戻しばね４４によるモーメントＭ２よりも小さくなると、ブレード４２の傾き角も５２から元の５１まで減少する。これにより、ブレード４２が立ち上がり位置５０から初期位置４９に戻ると、ブレード４２の押し出す水量も減少し、発生する下降流も３４Ｈから３４に戻る。
【００３２】
次に、以上のようなスクリュー９の別形態のスクリュー９Ａについて、図７、図８により説明する。
該スクリュー９Ａは、前記スクリュー９のブレード４２を抗力中心位置の異なるブレード１４２に変更することにより、風力水浄化装置１を高風力状態に対応可能としたものである。
【００３３】
該スクリュー９Ａにおいても、戻しばね４４の弾性力により、ブレード軸４１は、図８（ａ）に示す無負荷状態の初期位置１４９に戻る方向に常時付勢されている。
【００３４】
更に、該ブレード軸４１の軸本体４１ａには、ブレード１４２の取付筒部１４２ａが着脱可能に装着され、該取付筒部１４２ａを挟んで正転方向Ｆの前後に、扇形状の前翼１４２ｂと後翼１４２ｃを固設することにより、ブレード１４２が構成されている。
【００３５】
これにより、前記ブレード支持体４０の外周には、同一水平面上で等間隔に形成した３個の前記支持凹部４０ａが形成され、該支持凹部４０ａには、前記ブレード１４２を取り付けたブレード軸４１が、初期位置１４９に戻るように常時付勢された状態で、回動可能に支承されている。
【００３６】
このような構成からなるスクリュー９Ａは、前記スクリュー９と同様に、前記回転軸心４６を中心にして正転方向Ｆに回転すると、該正転方向Ｆに向かって回転する３枚の前記ブレード１４２により水が下方に押し出され、それに伴い、スクリュー９の回転軸心４６の方向に沿って、下降流３４Ａが発生する。
【００３７】
ここで、前記ブレード１４２は、正転方向Ｆに向かって斜め上方に傾斜しており、図８（ａ）に示す初期位置１４９では、初期位置１４９に戻るように付勢された状態で、側面視でブレード１４２の外周縁とスクリュー９Ａの回転面５３との成す傾き角が１５１に設定されている。そして、このブレード１４２の抗力中心ＤＡは、ブレード軸４１の回転軸心４７から、下降流３４Ａの下手側に、長さ１５７だけ偏移させた位置に設定される。
【００３８】
このようなオフセット構造１５６は、本実施例の場合、図７に示すように、後翼１４２ｃの中心角１５５を前翼１４２ｂの中心角１５４よりも大きくして、後翼１４２ｃの面積を前翼１４２ｂの面積よりも拡大することにより、前記抗力中心ＤＡを下降流３４Ａの下手側に偏移させる構成としている。なお、前翼１４２ｂと後翼１４２ｃの形状を変えることで抗力中心ＤＡを調整するようにしてもよく、オフセット構造１５６の構成は特には限定されない。
【００３９】
また、このようなオフセット構造１５６と前記戻しばね４４とを備える角度制御機構１３８の動作について説明する。
高風力状態にあってスクリュー９Ａの回転動力が大きい場合には、図８（ａ）に示すように、たとえ初期の傾き角１５１が小さく設定されていなくても、抗力ＰＡ０を上回り、スクリュー９Ａを正転方向Ｆに容易に回転起動させ、十分な下降流３４Ａを確保することができる。
【００４０】
該スクリュー９Ａが回転起動してから、風車５の回転速度が増加して過大になると、図８（ｂ）に示すように、前記抗力中心ＤＡに集中する抗力もＰＡＯからＰＡ１まで増加する。そして、該抗力ＰＡ１によるブレード１４２の傾き角減少方向へのモーメントＭＡ１が、前記戻しばね４４の弾性力によるブレード１４２の傾き角増加方向へのモーメントＭＡ２よりも大きくなると、ブレード１４２の傾き角は１５１から減少し、両モーメントＭＡ１・ＭＡ２がバランスする傾き角１５２で安定する。これにより、ブレード１４２が前記初期位置１４９から略水平位置１５０まで変化し、ブレード４２の押し出す水量が減少し、発生する下降流も３４Ａから３４ＡＬまで減り、風力水浄化装置１が水流の反力により転倒・浸水等するのを防止できる。
【００４１】
その後、図８（ｃ）に示すように、風力が低下して抗力がＰＡ１から元のＰＡ０まで減少し、該抗力ＰＡ０によるモーメントＭＡ１が、前記戻しばね４４によるモーメントＭＡ２よりも小さくなると、ブレード１４２の傾き角は１５２から元の１５１まで増加する。これにより、ブレード１４２が略水平位置１５０から初期位置１４９に戻ると、ブレード４２の押し出す水量も増加し、発生する下降流も３４ＡＬから３４Ａに戻り、十分な下降流３４Ａを確保できる。
【００４２】
次に、前記フローガイド１０について、図１、図９、図１０により説明する。
該フローガイド１０は、前記基台本体１１の下面より垂設されると共に円周上に互いに等間隔で離間して配置される複数のステー３１と、該ステー３１の下部を外周側面に固設した筒体３２とから構成される。
【００４３】
該筒体３２の平面視略中央に前記スクリュー軸８が配置され、該スクリュー軸８に前記ブレード支持体４０、ブレード軸４１、及びブレード４２が設けられており、前記ブレード支持体４０の外周面と筒体３２の内周面との間に、平面視リング状で十分な長さの水路５８が設けられている。
【００４４】
これにより、最初、筒体３２上方で隣り合うステー３１間の隙間から筒体３２の上部開口に向かって断続的に吸い込まれた吸引流３３は、前記水路５８を下降流３４となって通過する間に、その脈流が緩和され、筒体３２の下端開口からは均一な吐出流３５となって流出する。この一連の水流３３・３４・３５は、時間が経過するに従い、全体が均一で十分な量の水流へと変化していく。なお、前記筒体３２の長さ３６は、前記スクリュー９の最大径である直径の長さ３７以上に設定するのが好ましい。該長さ３７よりも短いと、流路抵抗による脈流の緩和効果が小さくなり、均一で十分な量の水流３３・３４・３５を確保できないからである。
【００４５】
すなわち、以上の図１乃至図１０に示すような構成により、水域の水面４上に浮かべて風車５により風力を回転動力に変換する風車ユニット２と、該回転動力によりスクリュー９を回転して水流３３・３４・３５を発生する水流発生ユニット３とを備えた風力水浄化装置１において、前記スクリュー９・９Ａは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸８によって回転するブレード支持体４０と、該ブレード支持体４０の外周にブレード軸４１を介して回動可能に支承されるブレード４２・１４２とを備えると共に、該ブレード４２・１４２とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角５１・１５１を前記スクリュー９・９Ａの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構３８・１３８と、前記スクリュー９・９Ａを取り囲む水路５８をブレード支持体４０との間に形成する筒体３２とを設けたので、低風力状態にあってスクリュー９の回転動力が小さい場合には、最初は傾き角を小さくして５１とすることにより、抵抗断面積を減少させてブレード４２の受ける抗力Ｐ０を減らすことができ、スクリュー９の回転起動性を向上できる。スクリュー９が回転起動してから安定回転中は、傾き角を５１から大きくして５２とすることにより、ブレード４２の押し出す水量を増加させて、十分な水流が確保できる。高風力状態にあってスクリュー９Ａの回転動力が大きい場合には、傾き角を小さくせずとも、スクリュー９Ａを容易に回転起動でき、スクリュー９Ａが回転起動した後も、十分な水流を確保できる。そして、時間とともに回転動力が増加してスクリュー９Ａが高速で回転すると、傾き角を１５１から小さくして１５２とすることにより、ブレード１４２の押し出す水量を減少させ、風力水浄化装置１が水流の反力により転倒・浸水することを防止して風力水浄化装置１の設置安定性を向上できる。更に、前記筒体３２により、スクリュー９の周囲の水路５８を通過する間に、その流路抵抗によって脈流が緩和され、しかも途中で開放されることがなく無駄に周囲に分散されず、均一で十分な量の一連の水流３３・３４・３５を確保できる。このようにして、前記角度制御機構３８・１３８と筒体３２とにより、回転起動性・設置安定性・水流安定性を向上させることができ、風力エネルギの効率的な利用が可能となる。
【００４６】
更に、前記角度制御機構３８は、前記スクリュー９回転時の水の抗力中心Ｄを、ブレード軸４１の回転軸心４７から、スクリュー９の回転軸心４６方向に沿って流れる水流である下降流３４の上手側に長さ５７だけ偏移させるオフセット構造５６と、前記ブレード軸４１を軸周りに付勢して所定の初期位置４９に設定する戻しばね４４とを備えることにより、スクリュー９の回転速度の増加に応じて前記傾き角を５１から５２に増加させるので、オフセット構造５６と戻しばね４４とから成る簡単な構成によって、低風力状態においても、スクリュー９の回転起動性を向上させつつ、十分な水流３４を確保することができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００４７】
加えて、前記角度制御機構１３８は、前記スクリュー９Ａ回転時の水の抗力中心ＤＡを、ブレード軸４１の回転軸心４７から、スクリュー９Ａの回転軸心４６方向に流れる水流である下降流３４Ａの下手側に長さ１５７だけ偏移させるオフセット構造１５６と、前記ブレード軸４１を軸周りに付勢して所定の初期位置１４９に設定する戻しばね４４とを備えることにより、スクリュー９Ａの回転速度の増加に応じて前記傾き角を１５１から１５２に減少させるので、オフセット構造１５６と戻しばね４４とから成る簡単な構成によって、高風力状態においても、風力水浄化装置１の設置安定性を向上させることができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００４８】
なお、以上述べたスクリュー９・９Ａでは、下降流３４・３４Ａが発生するが、各ブレード４２・１４２を、ブレード軸４１の回転軸心４７を中心にして上下反転させ、前記正転方向Ｆに向かって斜め下方に傾斜させることにより、上昇流を発生させることができる。そして、この場合も、前述した角度制御機構３８・１３８と同様の構成と作用により、低風力状態におけるスクリューの回転起動性、高風力状態における風力水浄化装置１の設置安定性を向上させることができるのである。
【００４９】
次に、以上のような風力水浄化装置１の別形態の風力水浄化装置１Ａについて、図１１により説明する。なお、図１１の矢印Ｌで示す方向を風力水浄化装置１Ａの左方向とし、以下で述べる各部材の位置や方向等はこの左方向を基準とするものである。
【００５０】
該風力水浄化装置１Ａは、前記風力水浄化装置１の風車ユニット２からの回転動力の不足分を、新たに設けた補助動力ユニット５９からの回転動力により補ったものであり、水域の水面４上に浮かべて風車５によって風力を回転動力に変換する風車ユニット２Ａと、スクリュー９を回転して水流を発生する前記水流発生ユニット３と、該水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する前記補助動力ユニット５９とにより構成される。
【００５１】
そして、前記風力水浄化装置１の複数のフロート１２を右方に増設して連結し、その上に、拡張した基台本体１１Ａを載置固定することにより、基台７Ａが形成され、該基台７Ａ上の左右に、前記風車ユニット２Ａと補助動力ユニット５９とが並設されている。
【００５２】
該補助動力ユニット５９は、風車ユニット２Ａの伝動支持装置６Ａに補助の回転動力を出力する電動モータ６２、該電動モータ６２に電力を供給するバッテリ６３、該バッテリ６３に充電する電力を供給する発電機６０・太陽光パネル６１、及び前記電動モータ６２・発電機６０の駆動を制御するコントローラ６４を備える。
【００５３】
このうちの電動モータ６２において、クラッチ６６を介して左方に延設された出力軸６７の先部にはベベルギア６８が固設され、該ベベルギア６８は前記伝達軸２０に外嵌固定されたベベルギア６５に噛合されており、電動モータ６２から出力された回転動力が、出力軸６７からベベルギア対６５・６８を介して、断接可能に伝達軸２０に入力され、電動モータ６２からの回転動力によっても、スクリュー軸８を介してスクリュー９を回転駆動できるようにしている。
【００５４】
前記伝達軸２０には、風車ユニット２Ａによる回転動力の発生状況を検知するための回転数センサ７０が設けられ、該回転数センサ７０は前記コントローラ６４に接続されており、該回転数センサ７０からの回転数信号に基づいて、コントローラ６４から電動モータ６２に対して駆動・停止信号が送信されるようにしている。
【００５５】
更に、前記バッテリ６３には、該バッテリ６３の残存電力量を検知するための電力計７１が設けられ、該電力計７１も前記コントローラ６４に接続されており、該電力計７１からの残存電力信号に基づいて、コントローラ６４から発電機６０に対して発電・停止信号が送信されるようにしている。
【００５６】
このような構成において、回転数センサ７０により高風力状態にあることが判明し、水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する必要がない場合は、コントローラ６４からクラッチ６６に対してクラッチ「切」信号を送信し、補助動力ユニット５９と伝達軸２０との接続を遮断して、風車ユニット２Ａからの回転動力のみでスクリュー９を回転駆動させる。
【００５７】
回転数センサ７０により低風力状態にあることが判明し、水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する必要がある場合は、コントローラ６４から前記クラッチ６６にクラッチ「入」信号を送信すると共に、電動モータ６２に対して駆動信号を送信し、補助動力ユニット５９から伝達軸２０に回転動力を伝達して、風車ユニット２Ａ・補助動力ユニット５９の両ユニットからの回転動力でスクリュー９を回転駆動させる。
【００５８】
前記電動モータ６２の電源については、通常の場合は、太陽光パネル６１からの電力だけでバッテリ６３に十分な電力が充電されるようにしておく。そして、曇天・雨天時等のせいで必要な太陽光が得られず、しかも、バッテリ６３の残存電力量が制限電力量を下回ったことが電力計７１により判明した場合は、コントローラ６４から発電機６０に対して発電信号が送信されて発電機６０が駆動され、バッテリ６３に十分な電力が供給される。
【００５９】
なお、本実施例では、発電機６０を設けているが、風力水浄化装置１Ａを配置する水域の日照時間が十分に長い等のため、太陽光パネル６１だけでバッテリ６３に十分な電力を常時充電できる場合には、この発電機６０を省略することができる。
【００６０】
すなわち、前記風車５からの回転動力を補う補助動力機構である補助動力ユニット５９を付設するので、極めて低風力状態にあってスクリュー９を回転駆動できない場合でも、補助動力ユニット５９からの回転動力によってスクリュー９を回転駆動することができ、風力水浄化装置１Ａの常時安定駆動が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、水域の水面上に浮かべて風車によって風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた、全ての風力水浄化装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１・１Ａ 風力水浄化装置
２ 風車ユニット
３ 水流発生ユニット
４ 水面
５ 風車
９・９Ａ スクリュー
８ スクリュー軸
３２ 筒体
３３・３４・３５ 水流
３４・３４Ａ 下降流（水流）
３８・１３８ 角度制御機構
４０ ブレード支持体
４１ ブレード軸
４２・１４２ ブレード
４４ 戻しばね
４６ スクリューの回転軸心
４７ ブレード軸の回転軸心
５１・５２・１５１・１５２ 傾き角
５３ 回転面
５６・１５６ オフセット構造
５８ 水路
５９ 補助動力ユニット（補助動力機構）
Ｄ・ＤＡ 抗力中心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置に関し、特に、風力の大きさに応じて安定した水流を発生可能な水流発生ユニットの構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、湖沼、貯水池や海湾奥等の閉鎖系水域において、水が滞留してアオコや赤潮等が発生する場合には、電動モータやエンジンで駆動される水中ポンプやスクリュー等を使って水攪拌を行うが、省エネの観点から風の運動エネルギである風力エネルギを利用し、該風力エネルギを風車で回転エネルギに変えて回転動力を発生させ、該回転動力によって水中のスクリューを直接に回転駆動し、水流を発生させて水攪拌を行う技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−４７０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記技術では、場所や時間によって大きく変動する風力エネルギを効率的に利用できない、という問題があった。
例えば、風力が小さい低風力状態の場合、スクリューの回転動力が、回転時にスクリューのブレードが水から受ける抗力よりも小さくなると、スクリューが回転起動できない。逆に、風力が大きい高風力状態の場合、スクリューの回転動力が、回転時にブレードの受ける抗力に比べて過大になると、スクリューが極めて高速で回転し、発生する大量の水流から受ける反力により、下降流では、風力水浄化装置が水面近くまで持ち上げられてバランスを崩して転倒し、逆に、上昇流では、風力水浄化装置が水中深くまで引き込まれて風車や動力伝達経路が浸水して故障する。このため、装置寿命が悪化すると共に、安定した水流発生が難しい、という問題があった。
そこで、このような回転起動性・設置安定性向上の観点から、ブレードとスクリュー回転面との成す角度（以下、「傾き角」とする）を初めから小さく設定することにより、風力の大小にかかわらず、ブレードの受ける抗力とブレードの押し出す水量を減少させておく対応が考えられる。しかしながら、それでは、せっかく風力が増加しても十分な量の水流が得られず、風力エネルギが無駄になる、という問題があった。
加えて、時間変動が大きい風力エネルギを利用するため、スクリューの回転動力が時間によって大きく変動し、発生する水流も脈流となりやすく、しかも、該スクリューの周囲はフロートが配置されているだけでほとんど開放状態にある。このため、発生した水流の大半は脈流となって周囲に分散され、十分な量の安定した水流が得られない、という問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
すなわち、請求項１においては、水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置において、前記スクリューは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸によって回転するブレード支持体と、該ブレード支持体の外周にブレード軸を介して回動可能に支承されるブレードとを備えると共に、該ブレードとスクリューの回転面との成す傾き角を前記スクリューの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構と、前記スクリューを取り囲む水路をブレード支持体との間に形成する筒体とを設けたものである。
請求項２においては、前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に沿って流れる水流の上手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を増加させるものである。
請求項３においては、前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に流れる水流の下手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を減少させるものである。
請求項４においては、前記風車からの回転動力の不足分を補う補助動力機構を付設するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示す効果を奏する。
すなわち、請求項１において、低風力状態にあってスクリューの回転動力が小さい場合には、最初は傾き角を小さくすることにより、水中移動中のブレードにおいて水から抵抗を受ける部分の断面積（以下、「抵抗断面積」とする）を減少させて、ブレードの受ける抗力を減らすことができ、スクリューの回転起動性を向上できる。スクリューが回転起動してから安定回転中は、傾き角を大きくすることにより、ブレードの押し出す水量を増加させて、十分な水流が確保できる。高風力状態にあってスクリューの回転動力が大きい場合には、傾き角を小さくせずとも、スクリューを容易に回転起動でき、スクリューが回転起動した後も、十分な水流を確保できる。そして、時間とともに回転動力が増加してスクリューが高速で回転すると、傾き角を小さくすることにより、ブレードの押し出す水量を減少させ、風力水浄化装置が水流の反力により転倒・浸水することを防止して風力水浄化装置の設置安定性を向上できる。更に、前記筒体により、スクリューの周囲の水路を通過する間に、その流路抵抗によって脈流が緩和され、しかも途中で開放されることがなく無駄に周囲に分散されず、均一で十分な量の一連の水流を確保できる。このようにして、前記角度制御機構と筒体とにより、回転起動性・設置安定性・水流安定性を向上させることができ、風力エネルギの効率的な利用が可能となる。
請求項２により、オフセット構造と戻しばねとから成る簡単な構成によって、低風力状態においても、スクリューの回転起動性を向上させつつ、十分な水流を確保することができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項３により、オフセット構造と戻しばねとから成る簡単な構成によって、高風力状態においても、風力水浄化装置の設置安定性を向上させることができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
請求項４により、極めて低風力状態にあってスクリューを回転駆動できない場合でも、補助動力機構からの回転動力によってスクリューを回転駆動することができ、風力水浄化装置の常時安定駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明に係わる風力水浄化装置の全体構成を示す側面図である。
【図２】風車の外観図であって、図２（ａ）は風車の平面図、図２（ｂ）は同じく側面図である。
【図３】伝動支持装置の側面一部断面図である。
【図４】スクリューの側面一部断面図である。
【図５】低風力状態に対応するスクリューの平面図である。
【図６】同じく側面図であって、図６（ａ）はブレード初期位置におけるスクリューの側面図、図６（ｂ）はブレード立ち上がり位置におけるスクリューの側面図、図６（ｃ）はブレード初期位置復帰時のスクリューの側面図である。
【図７】高風力状態に対応するスクリューの平面図である。
【図８】同じく側面図であって、図８（ａ）はブレード初期位置におけるスクリューの側面図、図８（ｂ）はブレード略水平位置におけるスクリューの側面図、図８（ｃ）はブレード初期位置復帰時のスクリューの側面図である。
【図９】フローガイドの側面図である。
【図１０】同じく平面図である。
【図１１】別形態の風力水浄化装置の全体構成を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明に関わる風力水浄化装置１の全体構成について、図１乃至図３により説明する。
該風力水浄化装置１は、水域の水面４上に浮かべて風車５により風力を回転動力に変換する風車ユニット２と、該回転動力によりスクリュー９を回転して水流を発生する水流発生ユニット３とにより構成され、該水流発生ユニット３は前記風車ユニット２の下方に吊設されている。
【０００９】
前記風車ユニット２においては、ステンレス・プラスチック等の中空材や木材・発泡スチロール等の中実材から成る複数のフロート１２上に、板状の基台本体１１を載置固定することにより、基台７が形成され、該基台本体１１の平面視略中央部には、伝動支持装置６が立設される。
【００１０】
該伝動支持装置６は、前記基台本体１１の上面に複数のボルト１３によってフランジ部１４ａが締結固定されたパイプ１４と、該パイプ１４内側の上下部にそれぞれ嵌装されたボス１５・１６と、該ボス１５・１６によって回動可能に支持される伝達軸２０とから構成される。
【００１１】
伝達軸２０は、上軸部２０ａと下軸部２０ｂとから構成される。そして、前記上軸部２０ａの下端の凹部２０ａ１に下軸部２０ｂの先細り部２０ｂ１を下から挿入した後、前記上軸部２０ａの半径方向に穿孔した螺孔に、前記パイプ１４側面の開口部１４ｂからボルト２１・２１を螺挿し、該ボルト２１・２１の先端を前記先細り部２０ｂ１の側面に押圧することにより、上軸部２０ａと下軸部２０ｂとを一体的に連結するようにしている。
【００１２】
前記上軸部２０ａの上下端部を、それぞれ、前記ボス１５の軸受け１７とボス１６の軸受け１８によって回動可能に支持した上で、シール材１９を介して、上下から、それぞれ蓋体２２・２３を覆設し、該蓋体２２・２３を、それぞれ前記ボス１５・１６に締結固定することにより、上軸部２０ａがボス１５・１６から脱着しないようにしている。
【００１３】
すなわち、伝達軸２０を複数の部材である上軸部２０ａ・下軸部２０ｂから構成すると共に、このうちの上軸部２０ａのみにパイプ１４との軸受け１７・１８を設けて抜け止めが施されているので、パイプ１４への伝達軸２０の組み込みが容易となり、伝動支持装置６の組立性が向上する。そして、このような伝動支持装置６の伝達軸２０の上端には、前記風車５が連結されている。
【００１４】
該風車５は、前記伝達軸２０と同軸上で上方に延設された縦軸２５と、該縦軸２５に支持される一対の羽根２６・２６と、該羽根２６・２６の上下端を挟むように配置された円盤状の天板２７・底板２８とから構成される。
【００１５】
前記縦軸２５の下端には、フランジ部２５ｂが形成され、該フランジ部２５ｂの上面に前記底板２８を載置した上で、該底板２８の上方から複数のボルト２４を螺挿して、底板２８、フランジ部２５ｂ、及び前記上軸部２０ａ上端のフランジ部２０ａ２を互いに締結する。
【００１６】
縦軸２５の上端にも、フランジ部２５ａが形成され、該フランジ部２５ａの下面に前記天板２７を下から当接した上で、前記フランジ部２５ａの上方から複数のボルト２４を螺挿して、フランジ部２５ａに天板２７を締結する。
【００１７】
そして、前記一対の羽根２６・２６は、これら天板２７・底板２８との間に配置される。該羽根２６・２６は、いずれも半割状であって、その凸部側が時計方向（以下、「正転方向」とする）Ｆに向かうようにして、平面視で前記縦軸２５を挟んだ点対称位置に配置されると共に、その内側縁２６ａ・２６ａが前記縦軸２５の周りに固設される。
【００１８】
前記羽根２６・２６の上下端は、それぞれ、天板２７の下面と底板２８の上面に固設されており、これにより、羽根２６・２６の剛性を高めることができ、たとえ高風力状態で羽根２６・２６が高速回転しても変形しないようにして、部品寿命の向上を図っている。
【００１９】
また、前記水流発生ユニット３においては、前記伝達軸２０と同軸上にスクリュー軸８が延設される。該スクリュー軸８の上端には、フランジ部８ａが形成され、該フランジ部８ａが、前記下軸部２０ｂ下端のフランジ部２０ｂ２に、ボルト３０によって締結されている。
【００２０】
これにより、前記羽根２６・２６の凹部側が風を受けると風車５が正転方向Ｆに回転し、その回転動力は、回転方向を変えることなく、縦軸２５が連結された伝達軸２０からスクリュー軸８に伝達される。そして、このようなスクリュー軸８の下端には、後述のようにして、スクリュー９が連結されると共に、該スクリュー９と前記スクリュー軸８を取り囲むようにして、フローガイド１０が配設される。
【００２１】
次に、前記スクリュー９について、図４乃至図６により説明する。
該スクリュー９において、その柱状のブレード支持体４０の上面に、前記スクリュー軸８下端のフランジ部８ｂがボルト３９によって締結されると共に、ブレード支持体４０の上半部の外周側面には、複数の筒状の支持凹部４０ａが、ブレード支持体４０の回転軸心４６を中心とした放射状に、等間隔で形成される。更に、ブレード支持体４０の下半部は、空洞化されてスクリュー９の軽量化が図られると共に、その下端は球面に形成されてスクリュー９の回転時の抵抗抑制が図られている。
【００２２】
前記支持凹部４０ａ内では、軸支持体４３の内半部を構成するねじ部４３ａが、座金４５を介して、前記ブレード支持体４０に螺挿固定されると共に、軸支持体４３の外半部を構成する軸支持筒４３ｂには、ブレード軸４１の軸本体４１ａが回動可能に挿入されている。
【００２３】
該軸本体４１ａでブレード支持体４０の近傍には、外径が軸本体４１ａよりも大きく、かつ支持凹部４０ａの内径と略同径であるリング状のブレード受け４１ｂが外嵌固定される。該ブレード受け４１ｂには、前記軸支持筒４３ｂの周囲に巻回した捩りコイル状の戻しばね４４の一端の係止部４４ａが係止される一方、該戻しばね４４の他端は、前記軸支持筒４３ｂに係止されている。これにより、ブレード軸４１が外部からの負荷により回転軸心４７を中心に回動しても、戻しばね４４の弾性力により、ブレード軸４１は図６（ａ）に示す無負荷状態の初期位置４９に戻る方向に常時付勢される。
【００２４】
更に、このような軸本体４１ａの外端には、固定ボルト４１ｃが螺挿され、該固定ボルト４１ｃと、前記ブレード受け４１ｂ内縁の階段状の凹部４１ｂ１との間に取付筒部４２ａが着脱可能に装着される。そして、該取付筒部４２ａを挟んで正転方向Ｆの前後に、扇形状の前翼４２ｂと後翼４２ｃを固設することにより、ブレード４２が構成されている。
【００２５】
以上のようにして、前記ブレード支持体４０の外周には、同一水平面上で等間隔に３個の前記支持凹部４０ａが形成され、該支持凹部４０ａには、前記ブレード４２を取り付けたブレード軸４１が、初期位置４９に戻るように常時付勢された状態で、回動可能に支承されている。
【００２６】
また、このような構成からなるスクリュー９が正転方向Ｆに回転すると、該正転方向Ｆに向かって回転する３枚の前記ブレード４２により水が下方に押し出され、それに伴い、スクリュー９の回転軸心４６の方向に沿って、下降流３４が発生する。
【００２７】
ここで、前記ブレード４２は、正転方向Ｆに向かって斜め上方に傾斜しており、初期位置４９に戻るように付勢された状態で、側面視でブレード４２の外周縁とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角が５１に設定されている。そして、このようなブレード４２が水から受ける抗力の中心（以下、「抗力中心」とする）Ｄは、ブレード軸４１の回転軸心４７から、下降流３４の上手側に、長さ５７だけ偏移させた位置に設定される。
【００２８】
このようなオフセット構造５６は、本実施例の場合、図５に示すように、前翼４２ｂの中心角５４を後翼４２ｃの中心角５５よりも大きくして、前翼４２ｂの面積を後翼４２ｃの面積よりも拡大することにより、前記抗力中心Ｄを下降流３４の上手側に偏移させる構成としている。なお、前翼４２ｂと後翼４２ｃの形状を変えることで抗力中心Ｄを調整するようにしてもよく、オフセット構造５６の構成は特には限定されない。
【００２９】
また、このようなオフセット構造５６と前記戻しばね４４とを備える角度制御機構３８の動作について説明する。
低風力状態にあってスクリュー９の回転動力が小さい場合には、図６（ａ）に示すように、初期の傾き角５１を小さく設定することにより、ブレード４２の抵抗断面積を減少させ、回転起動時に水から受ける抗力Ｐ０を減らすようにしている。これにより、低風力であっても、抗力Ｐ０を容易に上回り、スクリュー９を回転起動させることができる。
【００３０】
該スクリュー９が回転起動してから、風車５が安定回転し始めて回転速度が増加していくと、図６（ｂ）に示すように、前記抗力中心Ｄに集中する抗力もＰＯからＰ１まで増加する。そして、該抗力Ｐ１によるブレード４２の傾き角増加方向へのモーメントＭ１が、前記戻しばね４４の弾性力によるブレード４２の傾き角減少方向へのモーメントＭ２よりも大きくなると、ブレード４２の傾き角は５１から増加し、両モーメントＭ１・Ｍ２がバランスする傾き角５２で安定する。これにより、ブレード４２が前記初期位置４９から立ち上がり位置５０まで変化して、ブレード４２の押し出す水量も増加し、発生する下降流も３４から３４Ｈまで増えて十分な水量が確保できる。なお、この水量は、前記戻しばね４４の弾性力を調整して傾き角５２を変えることにより、自在に調整することができる。
【００３１】
その後、図６（ｃ）に示すように、風力が低下して抗力がＰ１から元のＰ０まで減少し、該抗力Ｐ０によるモーメントＭ１が、前記戻しばね４４によるモーメントＭ２よりも小さくなると、ブレード４２の傾き角も５２から元の５１まで減少する。これにより、ブレード４２が立ち上がり位置５０から初期位置４９に戻ると、ブレード４２の押し出す水量も減少し、発生する下降流も３４Ｈから３４に戻る。
【００３２】
次に、以上のようなスクリュー９の別形態のスクリュー９Ａについて、図７、図８により説明する。
該スクリュー９Ａは、前記スクリュー９のブレード４２を抗力中心位置の異なるブレード１４２に変更することにより、風力水浄化装置１を高風力状態に対応可能としたものである。
【００３３】
該スクリュー９Ａにおいても、戻しばね４４の弾性力により、ブレード軸４１は、図８（ａ）に示す無負荷状態の初期位置１４９に戻る方向に常時付勢されている。
【００３４】
更に、該ブレード軸４１の軸本体４１ａには、ブレード１４２の取付筒部１４２ａが着脱可能に装着され、該取付筒部１４２ａを挟んで正転方向Ｆの前後に、扇形状の前翼１４２ｂと後翼１４２ｃを固設することにより、ブレード１４２が構成されている。
【００３５】
これにより、前記ブレード支持体４０の外周には、同一水平面上で等間隔に形成した３個の前記支持凹部４０ａが形成され、該支持凹部４０ａには、前記ブレード１４２を取り付けたブレード軸４１が、初期位置１４９に戻るように常時付勢された状態で、回動可能に支承されている。
【００３６】
このような構成からなるスクリュー９Ａは、前記スクリュー９と同様に、前記回転軸心４６を中心にして正転方向Ｆに回転すると、該正転方向Ｆに向かって回転する３枚の前記ブレード１４２により水が下方に押し出され、それに伴い、スクリュー９の回転軸心４６の方向に沿って、下降流３４Ａが発生する。
【００３７】
ここで、前記ブレード１４２は、正転方向Ｆに向かって斜め上方に傾斜しており、図８（ａ）に示す初期位置１４９では、初期位置１４９に戻るように付勢された状態で、側面視でブレード１４２の外周縁とスクリュー９Ａの回転面５３との成す傾き角が１５１に設定されている。そして、このブレード１４２の抗力中心ＤＡは、ブレード軸４１の回転軸心４７から、下降流３４Ａの下手側に、長さ１５７だけ偏移させた位置に設定される。
【００３８】
このようなオフセット構造１５６は、本実施例の場合、図７に示すように、後翼１４２ｃの中心角１５５を前翼１４２ｂの中心角１５４よりも大きくして、後翼１４２ｃの面積を前翼１４２ｂの面積よりも拡大することにより、前記抗力中心ＤＡを下降流３４Ａの下手側に偏移させる構成としている。なお、前翼１４２ｂと後翼１４２ｃの形状を変えることで抗力中心ＤＡを調整するようにしてもよく、オフセット構造１５６の構成は特には限定されない。
【００３９】
また、このようなオフセット構造１５６と前記戻しばね４４とを備える角度制御機構１３８の動作について説明する。
高風力状態にあってスクリュー９Ａの回転動力が大きい場合には、図８（ａ）に示すように、たとえ初期の傾き角１５１が小さく設定されていなくても、抗力ＰＡ０を上回り、スクリュー９Ａを正転方向Ｆに容易に回転起動させ、十分な下降流３４Ａを確保することができる。
【００４０】
該スクリュー９Ａが回転起動してから、風車５の回転速度が増加して過大になると、図８（ｂ）に示すように、前記抗力中心ＤＡに集中する抗力もＰＡＯからＰＡ１まで増加する。そして、該抗力ＰＡ１によるブレード１４２の傾き角減少方向へのモーメントＭＡ１が、前記戻しばね４４の弾性力によるブレード１４２の傾き角増加方向へのモーメントＭＡ２よりも大きくなると、ブレード１４２の傾き角は１５１から減少し、両モーメントＭＡ１・ＭＡ２がバランスする傾き角１５２で安定する。これにより、ブレード１４２が前記初期位置１４９から略水平位置１５０まで変化し、ブレード４２の押し出す水量が減少し、発生する下降流も３４Ａから３４ＡＬまで減り、風力水浄化装置１が水流の反力により転倒・浸水等するのを防止できる。
【００４１】
その後、図８（ｃ）に示すように、風力が低下して抗力がＰＡ１から元のＰＡ０まで減少し、該抗力ＰＡ０によるモーメントＭＡ１が、前記戻しばね４４によるモーメントＭＡ２よりも小さくなると、ブレード１４２の傾き角は１５２から元の１５１まで増加する。これにより、ブレード１４２が略水平位置１５０から初期位置１４９に戻ると、ブレード４２の押し出す水量も増加し、発生する下降流も３４ＡＬから３４Ａに戻り、十分な下降流３４Ａを確保できる。
【００４２】
次に、前記フローガイド１０について、図１、図９、図１０により説明する。
該フローガイド１０は、前記基台本体１１の下面より垂設されると共に円周上に互いに等間隔で離間して配置される複数のステー３１と、該ステー３１の下部を外周側面に固設した筒体３２とから構成される。
【００４３】
該筒体３２の平面視略中央に前記スクリュー軸８が配置され、該スクリュー軸８に前記ブレード支持体４０、ブレード軸４１、及びブレード４２が設けられており、前記ブレード支持体４０の外周面と筒体３２の内周面との間に、平面視リング状で十分な長さの水路５８が設けられている。
【００４４】
これにより、最初、筒体３２上方で隣り合うステー３１間の隙間から筒体３２の上部開口に向かって断続的に吸い込まれた吸引流３３は、前記水路５８を下降流３４となって通過する間に、その脈流が緩和され、筒体３２の下端開口からは均一な吐出流３５となって流出する。この一連の水流３３・３４・３５は、時間が経過するに従い、全体が均一で十分な量の水流へと変化していく。なお、前記筒体３２の長さ３６は、前記スクリュー９の最大径である直径の長さ３７以上に設定するのが好ましい。該長さ３７よりも短いと、流路抵抗による脈流の緩和効果が小さくなり、均一で十分な量の水流３３・３４・３５を確保できないからである。
【００４５】
すなわち、以上の図１乃至図１０に示すような構成により、水域の水面４上に浮かべて風車５により風力を回転動力に変換する風車ユニット２と、該回転動力によりスクリュー９を回転して水流３３・３４・３５を発生する水流発生ユニット３とを備えた風力水浄化装置１において、前記スクリュー９・９Ａは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸８によって回転するブレード支持体４０と、該ブレード支持体４０の外周にブレード軸４１を介して回動可能に支承されるブレード４２・１４２とを備えると共に、該ブレード４２・１４２とスクリュー９の回転面５３との成す傾き角５１・１５１を前記スクリュー９・９Ａの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構３８・１３８と、前記スクリュー９・９Ａを取り囲む水路５８をブレード支持体４０との間に形成する筒体３２とを設けたので、低風力状態にあってスクリュー９の回転動力が小さい場合には、最初は傾き角を小さくして５１とすることにより、抵抗断面積を減少させてブレード４２の受ける抗力Ｐ０を減らすことができ、スクリュー９の回転起動性を向上できる。スクリュー９が回転起動してから安定回転中は、傾き角を５１から大きくして５２とすることにより、ブレード４２の押し出す水量を増加させて、十分な水流が確保できる。高風力状態にあってスクリュー９Ａの回転動力が大きい場合には、傾き角を小さくせずとも、スクリュー９Ａを容易に回転起動でき、スクリュー９Ａが回転起動した後も、十分な水流を確保できる。そして、時間とともに回転動力が増加してスクリュー９Ａが高速で回転すると、傾き角を１５１から小さくして１５２とすることにより、ブレード１４２の押し出す水量を減少させ、風力水浄化装置１が水流の反力により転倒・浸水することを防止して風力水浄化装置１の設置安定性を向上できる。更に、前記筒体３２により、スクリュー９の周囲の水路５８を通過する間に、その流路抵抗によって脈流が緩和され、しかも途中で開放されることがなく無駄に周囲に分散されず、均一で十分な量の一連の水流３３・３４・３５を確保できる。このようにして、前記角度制御機構３８・１３８と筒体３２とにより、回転起動性・設置安定性・水流安定性を向上させることができ、風力エネルギの効率的な利用が可能となる。
【００４６】
更に、前記角度制御機構３８は、前記スクリュー９回転時の水の抗力中心Ｄを、ブレード軸４１の回転軸心４７から、スクリュー９の回転軸心４６方向に沿って流れる水流である下降流３４の上手側に長さ５７だけ偏移させるオフセット構造５６と、前記ブレード軸４１を軸周りに付勢して所定の初期位置４９に設定する戻しばね４４とを備えることにより、スクリュー９の回転速度の増加に応じて前記傾き角を５１から５２に増加させるので、オフセット構造５６と戻しばね４４とから成る簡単な構成によって、低風力状態においても、スクリュー９の回転起動性を向上させつつ、十分な水流３４を確保することができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００４７】
加えて、前記角度制御機構１３８は、前記スクリュー９Ａ回転時の水の抗力中心ＤＡを、ブレード軸４１の回転軸心４７から、スクリュー９Ａの回転軸心４６方向に流れる水流である下降流３４Ａの下手側に長さ１５７だけ偏移させるオフセット構造１５６と、前記ブレード軸４１を軸周りに付勢して所定の初期位置１４９に設定する戻しばね４４とを備えることにより、スクリュー９Ａの回転速度の増加に応じて前記傾き角を１５１から１５２に減少させるので、オフセット構造１５６と戻しばね４４とから成る簡単な構成によって、高風力状態においても、風力水浄化装置１の設置安定性を向上させることができ、装置コストの低減・メンテナンス性の向上を図ることができる。
【００４８】
なお、以上述べたスクリュー９・９Ａでは、下降流３４・３４Ａが発生するが、各ブレード４２・１４２を、ブレード軸４１の回転軸心４７を中心にして上下反転させ、前記正転方向Ｆに向かって斜め下方に傾斜させることにより、上昇流を発生させることができる。そして、この場合も、前述した角度制御機構３８・１３８と同様の構成と作用により、低風力状態におけるスクリューの回転起動性、高風力状態における風力水浄化装置１の設置安定性を向上させることができるのである。
【００４９】
次に、以上のような風力水浄化装置１の別形態の風力水浄化装置１Ａについて、図１１により説明する。なお、図１１の矢印Ｌで示す方向を風力水浄化装置１Ａの左方向とし、以下で述べる各部材の位置や方向等はこの左方向を基準とするものである。
【００５０】
該風力水浄化装置１Ａは、前記風力水浄化装置１の風車ユニット２からの回転動力の不足分を、新たに設けた補助動力ユニット５９からの回転動力により補ったものであり、水域の水面４上に浮かべて風車５によって風力を回転動力に変換する風車ユニット２Ａと、スクリュー９を回転して水流を発生する前記水流発生ユニット３と、該水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する前記補助動力ユニット５９とにより構成される。
【００５１】
そして、前記風力水浄化装置１の複数のフロート１２を右方に増設して連結し、その上に、拡張した基台本体１１Ａを載置固定することにより、基台７Ａが形成され、該基台７Ａ上の左右に、前記風車ユニット２Ａと補助動力ユニット５９とが並設されている。
【００５２】
該補助動力ユニット５９は、風車ユニット２Ａの伝動支持装置６Ａに補助の回転動力を出力する電動モータ６２、該電動モータ６２に電力を供給するバッテリ６３、該バッテリ６３に充電する電力を供給する発電機６０・太陽光パネル６１、及び前記電動モータ６２・発電機６０の駆動を制御するコントローラ６４を備える。
【００５３】
このうちの電動モータ６２において、クラッチ６６を介して左方に延設された出力軸６７の先部にはベベルギア６８が固設され、該ベベルギア６８は前記伝達軸２０に外嵌固定されたベベルギア６５に噛合されており、電動モータ６２から出力された回転動力が、出力軸６７からベベルギア対６５・６８を介して、断接可能に伝達軸２０に入力され、電動モータ６２からの回転動力によっても、スクリュー軸８を介してスクリュー９を回転駆動できるようにしている。
【００５４】
前記伝達軸２０には、風車ユニット２Ａによる回転動力の発生状況を検知するための回転数センサ７０が設けられ、該回転数センサ７０は前記コントローラ６４に接続されており、該回転数センサ７０からの回転数信号に基づいて、コントローラ６４から電動モータ６２に対して駆動・停止信号が送信されるようにしている。
【００５５】
更に、前記バッテリ６３には、該バッテリ６３の残存電力量を検知するための電力計７１が設けられ、該電力計７１も前記コントローラ６４に接続されており、該電力計７１からの残存電力信号に基づいて、コントローラ６４から発電機６０に対して発電・停止信号が送信されるようにしている。
【００５６】
このような構成において、回転数センサ７０により高風力状態にあることが判明し、水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する必要がない場合は、コントローラ６４からクラッチ６６に対してクラッチ「切」信号を送信し、補助動力ユニット５９と伝達軸２０との接続を遮断して、風車ユニット２Ａからの回転動力のみでスクリュー９を回転駆動させる。
【００５７】
回転数センサ７０により低風力状態にあることが判明し、水流発生ユニット３に対して補助の回転動力を供給する必要がある場合は、コントローラ６４から前記クラッチ６６にクラッチ「入」信号を送信すると共に、電動モータ６２に対して駆動信号を送信し、補助動力ユニット５９から伝達軸２０に回転動力を伝達して、風車ユニット２Ａ・補助動力ユニット５９の両ユニットからの回転動力でスクリュー９を回転駆動させる。
【００５８】
前記電動モータ６２の電源については、通常の場合は、太陽光パネル６１からの電力だけでバッテリ６３に十分な電力が充電されるようにしておく。そして、曇天・雨天時等のせいで必要な太陽光が得られず、しかも、バッテリ６３の残存電力量が制限電力量を下回ったことが電力計７１により判明した場合は、コントローラ６４から発電機６０に対して発電信号が送信されて発電機６０が駆動され、バッテリ６３に十分な電力が供給される。
【００５９】
なお、本実施例では、発電機６０を設けているが、風力水浄化装置１Ａを配置する水域の日照時間が十分に長い等のため、太陽光パネル６１だけでバッテリ６３に十分な電力を常時充電できる場合には、この発電機６０を省略することができる。
【００６０】
すなわち、前記風車５からの回転動力を補う補助動力機構である補助動力ユニット５９を付設するので、極めて低風力状態にあってスクリュー９を回転駆動できない場合でも、補助動力ユニット５９からの回転動力によってスクリュー９を回転駆動することができ、風力水浄化装置１Ａの常時安定駆動が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、水域の水面上に浮かべて風車によって風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた、全ての風力水浄化装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１・１Ａ 風力水浄化装置
２ 風車ユニット
３ 水流発生ユニット
４ 水面
５ 風車
９・９Ａ スクリュー
８ スクリュー軸
３２ 筒体
３３・３４・３５ 水流
３４・３４Ａ 下降流（水流）
３８・１３８ 角度制御機構
４０ ブレード支持体
４１ ブレード軸
４２・１４２ ブレード
４４ 戻しばね
４６ スクリューの回転軸心
４７ ブレード軸の回転軸心
５１・５２・１５１・１５２ 傾き角
５３ 回転面
５６・１５６ オフセット構造
５８ 水路
５９ 補助動力ユニット（補助動力機構）
Ｄ・ＤＡ 抗力中心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置において、前記スクリューは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸によって回転するブレード支持体と、該ブレード支持体の外周にブレード軸を介して回動可能に支承されるブレードとを備えると共に、該ブレードとスクリューの回転面との成す傾き角を前記スクリューの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構と、前記スクリューを取り囲む水路をブレード支持体との間に形成する筒体とを設けたことを特徴とする風力水浄化装置。
【請求項２】
前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に沿って流れる水流の上手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を増加させることを特徴とする請求項１に記載の風力水浄化装置。
【請求項３】
前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に流れる水流の下手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を減少させることを特徴とする請求項１に記載の風力水浄化装置。
【請求項４】
前記風車からの回転動力の不足分を補う補助動力機構を付設することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の風力水浄化装置。
【請求項１】
水域の水面上に浮かべて風車により風力を回転動力に変換する風車ユニットと、該回転動力によりスクリューを回転して水流を発生する水流発生ユニットとを備えた風力水浄化装置において、前記スクリューは、前記回転動力が伝達されるスクリュー軸によって回転するブレード支持体と、該ブレード支持体の外周にブレード軸を介して回動可能に支承されるブレードとを備えると共に、該ブレードとスクリューの回転面との成す傾き角を前記スクリューの回転速度に応じて自動的に増減させる角度制御機構と、前記スクリューを取り囲む水路をブレード支持体との間に形成する筒体とを設けたことを特徴とする風力水浄化装置。
【請求項２】
前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に沿って流れる水流の上手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を増加させることを特徴とする請求項１に記載の風力水浄化装置。
【請求項３】
前記角度制御機構は、前記スクリュー回転時の水の抗力中心を、ブレード軸の回転軸心から、スクリューの回転軸心方向に流れる水流の下手側に偏移させるオフセット構造と、前記ブレード軸を軸周りに付勢して所定の初期位置に設定する戻しばねとを備えることにより、スクリューの回転速度の増加に応じて前記傾き角を減少させることを特徴とする請求項１に記載の風力水浄化装置。
【請求項４】
前記風車からの回転動力の不足分を補う補助動力機構を付設することを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の風力水浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−６４５（Ｐ２０１３−６４５Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３３３６０（Ｐ２０１１−１３３３６０）
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（５０３１７２２５３）株式会社ハマダ (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１５日（２０１１．６．１５）
【出願人】（５０３１７２２５３）株式会社ハマダ (7)
【Ｆターム（参考）】
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