เครื่องกลเติมอากาศที่ผิวน้ำหมุนช้าแบบทุ่นลอย หรือกังหันน้ำชัยพัฒนา


สถาบันวิจัยและพัฒนาแห่งมหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
กรมทรัพย์สินทางปัญญา

รูปภาพ/สไลด์ (จำนวน 2-4 รูป)
ภูมิหลังของศิลปหรือวิทยาการที่เกี่ยวข้อง
ปัญหาเรื่องมลพิษทางน้ำ กำลังมีความรุนแรง จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องได้รับการแก้ไขอย่างเร่งด่วน ทั้งในระยะสั้นและระยะยาวอย่างถูกวิธี แหล่งน้ำเสียโดยทั่วไปกระจัดกระจายอยู่ตามสระน้ำ คลองระบายน้ำ หนองน้ำ บ่อน้ำ แม่น้ำลำธารทั้งในเขตเมืองและเขตนอกเมือง ยากแก่การรวบรวมแหล่งน้ำเสียเพื่อนำไปบำบัดในโรงบำบัดน้ำเสีย ซึ่งจะต้องเสียค่าใช้จ่ายสูงในการลำเลียงน้ำเสียเข้าไปในโรงบำบัด การบำบัดน้ำเสีย โดยใช้ขบวนการทางชีววิทยา นับว่าเป็นวิธีการที่ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลาย เพราะให้ประสิทธิภาพในการบำบัดสูง เสียค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้อย โดยทั่วไปวิธีการบำบัดน้ำเสียแบบนี้ จะใช้เครื่องกลเติมอากาศให้กับน้ำเสีย เพื่อช่วยเพิ่มออกซิเจนในน้ำเสียให้สูงเพียงพอสำหรับให้จุลินทรีย์ย่อยสลาย สิ่งที่สกปรกในน้ำเสียได้อย่างมีประสิทธิภาพ

เครื่องกลเติมอากาศให้กับน้ำเสียที่ผิวน้ำ ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมีขอบเขตจำกัดในการเติมอากาศหรือออกซิเจนในน้ำ เนื่องจากลักษณะของซองตักวิดน้ำ จะเป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนานทำให้ในขณะที่ซองพ้นผิวน้ำ จะกักเก็บน้ำได้ในปริมาณที่น้อยมาก ส่งผลให้มีปริมาณน้ำที่จะสัมผัสกับอากาศได้น้อย และในขณะที่ซองคว่ำลงบนผิวน้ำจะกักเก็บอากาศได้ปริมาณที่น้อย จะส่งผลให้ปริมาณของอากาศที่เติมลงบนผิวน้ำมีปริมาณน้อยด้วย ประกอบกับมีขอบเขตจำกัดต่อการนำไปติดตั้งใช้งานตามสภาพแหล่งน้ำเสียที่ปรากฏอยู่ในปัจจุบัน อีกทั้งหลักการเติมอากาศไปในน้ำเสียที่มีฟองฟุ้งกระจาย ย่อมส่งผลกระทบต่อพื้นที่และแหล่งชุมชนข้างเคียงอย่างมาก ดังนั้นเครื่องกลเติมอากาศที่ผิวน้ำหมุนช้า แบบทุ่นลอย ที่คิดค้นประดิษฐ์ขึ้นมานี้สามารถแก้ปัญหาดังกล่าวได้ทั้งหมด

พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว ทรงสนพระทัย ในปัญหามลพิษทางน้ำ ที่นับวันจะทวีความรุนแรงมากขึ้น จึงได้พระราชทานแนวพระราชดำริ ให้ส่วนราชการที่เกี่ยวข้อง และองค์กรเอกชน ร่วมมือกันอย่างจริงจัง ในการแก้ไขปัญหานี้ นอกจากนี้ยังทรงคิดค้นการประดิษฐ์เครื่องกลเติมอากาศให้กับน้ำเพื่อช่วยในการบำบัดน้ำเสีย และได้พระราชทานให้กรมชลประทานและมูลนิธิชัยพัฒนาดำเนินการผลิต หลังจากที่กรมชลประทานและมูลนิธิชัยพัฒนาได้ร่วมกันสร้างและทดลองเครื่องเติมอากาศดังกล่าวจนมีประสิทธิภาพ จึงขอพระบรมราชานุญาตยื่นขอรับสิทธิบัตรต่อกรมทรัพย์สินทางปัญญา เพื่อเป็นการถวายพระเกียรติแด่องค์พระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัว เมื่อวันที่ 2 มิถุนายน 2535 ได้รับการจดทะเบียนและออกสิทธิบัตร เมื่อวันที่ 6 กุมภาพันธ์ 2536

ความมุ่งหมายของการประดิษฐ์
เครื่องกลใช้เติมอากาศให้กับน้ำดังกล่าว ประดิษฐ์ขึ้นเพื่อให้เกิดประโยชน์แบบ เอนกประสงค์ได้ทั้งการเติมอากาศ การขับเคลื่อนน้ำ การกวนผสมผสาน ใช้ลอยอยู่บนผิวน้ำขึ้นลงอย่างอิสระ ใช้งานได้ทั้งติดตั้งคงที่ และสามารถดัดแปลงให้เคลื่อนที่ได้ในตัวเอง เมื่อใช้พลังงานจากเครื่องยนต์ ในกรณีที่ต้องการเติมอากาศลงไปในสระน้ำขนาดใหญ่ และคลองส่งน้ำที่มีความยาวมาก ๆ นอกจากนี้ยังเป็นการแก้ไขปัญหาของเครื่องกลเติมอากาศ ที่มีมาก่อนได้ทั้งหมดกล่าวคือ ในลักษณะของซองตักวิดน้ำ ซึ่งมีลักษณะเป็นซองที่มีพื้นที่หน้าตัด เป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมูนั้นเพื่อให้สามารถตักน้ำได้มากที่สุด ในขณะที่ซองพ้นเหนือน้ำ ซึ่งส่งผลให้มีปริมาณน้ำที่จะสัมผัสกับอากาศมากที่สุด อีกทั้งยังเป็นการเพิ่มปริมาณออกซิเจนในน้ำได้มากที่สุด จึงได้มีการนำการประดิษฐ์นี้ไปใช้ประโยชน์ในการผลิตทางอุตสาหกรรม หัตถกรรม เกษตรกรรม หรือพาณิชยกรรม

ทางด้านอุตสาหกรรม นำไปใช้ในการบำบัดน้ำเสีย ซึ่งปล่อยออกมาจากแหล่งอุตสาหกรรมก่อนที่จะปล่อยสู่แหล่งน้ำตามธรรมชาติ เป็นการบรรเทาการเกิดการเน่าเสียของน้ำซึ่งมีผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

ทางด้านเกษตรกรรม นำไปใช้ในการปรับปรุงคุณภาพของน้ำให้ดียิ่งขึ้นในการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ ปศุสัตว์และการเกษตร เพื่อเป็นการเพิ่มรายได้เกษตรกร

รายละเอียดของการประดิษฐ์
เครื่องกลเติมอากาศที่ผิวน้ำหมุนช้า แบบทุ่นลอย จะประกอบไปด้วยซองตักวิดน้ำจำนวน 6 ซอง ลักษณะเป็นซองเปิด ซึ่งมีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมคางหมู ที่พื้นด้านตรงกันข้ามกับปลายเปิด และผนังด้านข้างที่เล็กกว่าของซองตักวิดน้ำจะเจาะเป็นรูพรุน ตัวซองตักวิดน้ำแบ่งออกเป็น 3 ห้อง เท่า ๆ กัน โดยมีผนังกั้นแบ่งซองตักวิดน้ำทั้ง 6 ซอง ทั้งหมดติดตั้งอยู่บนโครงด้านข้างทั้ง 2 ด้าน เป็นรูป 12 เหลี่ยม โดยติดตั้งอยู่บนเหลี่ยมในระยะห่างที่เท่า ๆ กัน ที่ศูนย์กลางของโครงกังหันน้ำ มีแกนโครงที่ยื่นออกไปทางด้านข้างทั้งสองด้านหรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า เพลากังหันน้ำ วางตัวอยู่บนตุ๊กตารองรับเพลา ที่อยู่บนโครงรองรับซึ่งติดตั้งอยู่บนทุ่นลอยทั้งสองด้านซึ่งตัวทุ่นลอยทั้งสอง ที่ด้านบนยึดอยู่ด้วยกันโดยมีโครงเหล็กกลวงเป็นส่วนยึดที่ส่วนบนของทุ่นลอย จะประกอบด้วยระบบขับส่งกำลังโดยมีเฟืองจานโซ่ตัวใหญ่ ยึดติดอยู่ที่แกนเพลาของชุดโครงกังหันน้ำ โซ่ขับ เป็นตัวรับการถ่ายกำลังมาจากเฟืองจานโซ่เล็ก ซึ่งผ่านการทดรอบออกมาจากชุดเฟืองเกียร์ทดรอบและคับปลิ้ง โดยมีต้นกำลังขับมาจากเครื่องกลไก เป็นตัวรับพลังงานจากภายนอกส่งถ่ายกำลังผ่านระบบส่งกำลังต่าง ๆ พาให้ชุดโครงกังหันน้ำซึ่งมีซองตักวิดน้ำซองล่างสุดที่จมอยู่ใต้ระดับผิวน้ำ 50-80 เซ็นติเมตร หมุนตักวิดน้ำขึ้นไป แล้วถ่ายเทน้ำลงมาโดยผ่านทางรูเจาะของซอง

ส่วนด้านล่างของทุ่นลอย ในส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำ จะประกอบด้วยแผ่นไฮโดรฟอยส์เป็นส่วนยึดระหว่างปลายของทุ่นลอยด้านล่างทั้ง 2 ด้าน โดยมีท่อนเหล็กใช้เป็นแกนร้อยทะลุตลอด และที่ปลายท่อนเหล็กทั้ง 4 ข้าง ประกอบด้วยตีนช้างเป็นฐานรองรับ ความมุ่งหมายของการประดิษฐ์นี้ เพื่อใช้สำหรับเติมอากาศให้กับน้ำ โดยมีหลักการทำงานคือ เมื่อได้รับพลังงานจากภายนอกแล้วเครื่องกลไกขับส่งกำลังทำงานส่งถ่ายกำลังให้ชุดซองตักวิดน้ำหมุนโดยรอบเป็นวงกลม จะตักวิดน้ำขึ้นไปสาดกระจายเป็นฝอย เพื่อให้เกิดการสัมผัสระหว่างน้ำกับอากาศได้อย่างทั่วถึง เป็นผลให้ออกซิเจนในอากาศสามารถละลายเข้าไปในน้ำได้เร็ว และในขณะที่น้ำถูกยกขึ้นมา กระจายสัมผัสอากาศตกลงไปยังผิวน้ำ จะทำให้เกิดฟองอากาศจมตามลงไปใต้ผิวน้ำ ก่อให้เกิดการถ่ายเทออกซิเจนอีกส่วนหนึ่ง ปริมาณน้ำดังกล่าวที่ได้เติมออกซิเจนแล้วจะถูกขับเคลื่อนออกไปตามทิศทาง ที่กำหนด ด้วยการหมุนของชุดซองตักวิดน้ำและการโยกขึ้นลงของแผ่นไฮโดรฟอยล์

บทสรุปการประดิษฐ์
เครื่องกลเติมอากาศที่ผิวน้ำหมุนช้าแบบทุ่นลอย จะประกอบไปด้วยซองตักวิดน้ำจำนวน 6 ซอง ที่มีลักษณะเปิด มีพื้นที่หน้าตัดเป็นสี่เหลี่ยมคางหมู และมีพื้นที่บางด้านของซองเจาะเป็นรูพรุน ทั้งหมดติดตั้งอยู่บนโครงเหลี่ยมในระยะที่ห่างเท่ากัน ที่ศูนย์กลางปลายเพลาทั้ง 2 ข้าง ของโครงกังหันน้ำที่จุดรองรับการหมุนอยู่ที่ตุ๊กตา ซึ่งติดตั้งอยู่บนตัวทุ่นลอยของแต่ละด้านโดยมีแหล่งกำเนิดพลังงาน โดยการส่งผ่านกำลังพาให้ชุดกังหันน้ำหมุนตักวิดน้ำจากส่วนลึกประมาณ 50-80 ซ.ม. ขึ้นไป แล้วถ่ายเทน้ำลงมาเพื่อเป็นการเติมอากาศให้กับน้ำ