CN101404872A - 灌溉装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于灌溉生长介质的灌溉系统。本发明的灌溉系统包括螺旋形管状亲水薄膜或者波形管状亲水薄膜。本发明还涉及灌溉生长介质的方法，以及用于灌溉系统中的螺旋形管状亲水薄膜。

Description

灌溉装置
技术领域
本发明主要涉及掩埋于待灌溉的生长介质中的灌溉装置。
背景技术
使用亲水薄膜为生长介质和/或灌溉植物提供水分是已知的。例如，国际申请WO-A-99/40031公开了一种为生长介质提供水分的方法，其中水蒸汽经全蒸发处理通过无孔亲水薄膜。亲水薄膜由诸如共聚醚酯弹性体、聚醚嵌段聚酰胺、聚醚聚氨酯或者聚乙烯醇的亲水聚合物制成。在本文件的一个实施例中，薄膜形成为掩埋在生长介质中的容器。水被提供给该容器，然后水经全蒸发处理以水蒸汽形式通过薄膜，并传送至生长介质中。由于亲水薄膜限制污染物进入生长介质中，所以受污染的水可使用在本文件公开的方法。
类似地，国际申请WO-A-01/10192公开了一种具有水容器的灌溉装置，其中该容器包括亲水薄膜和不渗透任何形式水的一个表面。该容器可完全掩埋在生长介质中。国际申请WO-A-01/10193公开了一种用于改变植物根茎生长的方法，其中植物根茎紧邻亲水薄膜生长，该亲水薄膜随着根茎的生长而释放出水。该薄膜可形成为掩埋于生长介质中的密封柱体，并连接至水源。
在上述的所有系统中，由亲水薄膜形成的容器被密封，以防止污染物泄漏至生长介质中和/或对生长介质的水供应进行闭环控制。如果薄膜有任何孔，或者薄膜在使用过程中破裂，污染物会泄漏至生长介质中，并且水会从容器漏出而淹没生长介质。
申请人注意到，当亲水薄膜与水接触时，亲水薄膜会吸水并膨胀。例如，由共聚醚酯弹性体制成的管道当与水结合时可沿其长度膨胀至少约10％。这就导致了问题，在上述方法的情况下如果薄膜掩埋在生长介质中，那么增大的薄膜尺寸将不能容纳在生长介质所封闭的空间中。例如，对于30米长的管道，当管道与水结合时，长度方向富余出的3m可被容纳。如果膨胀不能被容纳，薄膜会被压缩或者扭曲，从而破裂并折断而允许被污染的水泄漏至生长介质中。在生长介质限定的范围内，管道也可能发生折叠，这就阻止了水的通过或流动，从而降低管道的效能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灌溉系统，其至少部分地减轻上述问题。
从本发明的第一方面提供了一种掩埋于生长介质中的管状亲水薄膜，所述管状亲水薄膜形成为螺旋。
在第二方面，本发明提供一种灌溉系统，其包括掩埋在生长介质中的螺旋形管状亲水薄膜。
当上述这种螺旋形管状薄膜掩埋在生长介质中并为其提供水时，亲水薄膜的膨胀以及该管道由此沿其长度的膨胀可被螺旋形形状更容易地容纳，原因在于由于该管道膨胀而施加在周围介质上的压力可沿其长度分布而不是限制在该管道的两个端部。换言之，沿薄膜轴线的绝对线性膨胀减小。如图1所示，当有水提供到“直”脱水管道(1)时，其可沿其长度膨胀。例如，含水管道(2)可比脱水管道(1)长10％。然而，如图2所示，当脱水管道被卷绕为螺旋(3)时，由于水合作用造成的管道长度的增加通过在三维空间中的膨胀来容纳。具体而言，管道长度的增加导致含水螺旋(4)的直径以及该螺旋长度的增加。这意味着沿任意一个方向的膨胀减小，从而使膨胀更容易被容纳。这意味着薄膜会更少可能地破裂或折叠。因此减小了前述的缺点。
螺旋形形状还通过增大或减小用于任意特定封闭空间中的亲水薄膜的表面积来提供用于全蒸发的受控可变表面积。这意味着可获得期望的较大或较小的灌溉密度。
在第三方面，本发明提供一种灌溉生长介质的方法，所述方法包括：将水传送通过掩埋于生长介质中的螺旋形管状亲水薄膜，从而水经由全蒸发处理通过亲水薄膜传送并进入生长介质中。
在第四方面，本发明提供一种灌溉系统，其包括掩埋于生长介质中的波形管状亲水薄膜。
当上述这种波形管状薄膜掩埋于生长介质中并为其提供水时，该亲水薄膜的膨胀以及该管道由此沿其长度的膨胀可通过该管道的波形性质来容纳。具体而言，该波形管道的脊和槽可变短，以容纳附加的薄膜材料。换言之，该管道壁中的脊和槽可采用类似于手风琴的压缩方式进行压缩。这样，该管道的整个长度的膨胀可被减小。
在第五方面，本发明提供一种灌溉生长介质的方法，所述方法包括：将水传送通过掩埋于生长介质中的波形管状亲水薄膜，从而水经由全蒸发处理通过亲水薄膜传送并进入生长介质中。
具体实施方式
在本发明的一个特定的优选实施例中，管状亲水薄膜为波形，并且该波形管道形成为螺旋。依据该实施例，薄膜的膨胀可通过波形管道中的脊和槽的压缩以及通过薄膜在三维空间中的膨胀来容纳。这样，薄膜的膨胀可被容纳。而且，波形管状比非波形管道具有增大的柔性，从而可容易地形成为螺旋。
与现有技术相同，本发明的管状薄膜可被用作静态水的容器，这些水随着减少会被补充。优选地，管状薄膜的端部不被密封，这就允许了水冲刷通过该管道，而不需将管道从生长介质中移开。
根据一个优选实施例，水源中包含有诸如溶解的杂质、悬浮的杂质，特别是盐，污染物或诸如细菌、病毒之类的生物材料的杂质。在一个特定优选实施例中，水源包括诸如海水、咸水的盐水。
当包含杂质的水用作水源时，杂质被包含在管道薄膜内而不会传送至生长介质中。
优选地，管状薄膜的端部是可以通过的，从而水可被提供至薄膜而不会干扰生长介质。
术语螺旋形应该并不意味着管道的形状为严格的数学上的螺旋。例如，螺旋的圈不必均具有相同的尺寸或者相同的间隔。
波形管道是指由螺旋或螺旋形物或者离散间隔环形成的管道，其中离散间隔环之间或者螺旋或螺旋形物的圈之间的材料是柔性的，从而其可相互朝向地和相互远离地运动。这种管道有时被称为“手风琴管道”。但是，上述环或圈不必都具有相同的尺寸和/或具有相同的间隔。所述环或者螺旋或螺旋形物可由与管道的不同材料制成并与该管道相连，但是优选地所述环或者螺旋或螺旋形物可从管道自身来形成，例如通过将管道的表面形成为波状或锯齿轮廓。
本发明的管道薄膜可具有诸如圆形、椭圆形、正方形等的任一截面。
全蒸发是指渗透至无孔薄膜或涂层中的特定的溶剂，横穿该薄膜，并接着以蒸汽的形式从所述薄膜或涂层的反面被释放的过程。因此，全蒸发不同于已知的过滤、蒸馏或者反渗透过程，在于全蒸发的产物是蒸汽而不是液体。如果溶剂是水，那么无孔亲水薄膜适于进行全蒸发，原因在于水易于被这种薄膜吸收，易于横穿该薄膜，并易于从该薄膜释放。
“亲水薄膜”指的是吸收水，即允许水传送通过，的无孔薄膜。如果在亲水薄膜中存在湿度梯度，那么所吸收的水可扩散通过该薄膜的厚度并可从其反面放出。在本公开的下文中，亲水薄膜或者涂层共同被称为薄膜，其特征在于足够高的水蒸汽传送速率，如下文限定，从而使得通过了薄膜的水可直接被用于灌溉植物等等。这种薄膜可包括一个或多个单独的层，所述层由包括但不限于相同或不同的亲水聚合物的材料制成。只要薄膜的总的水蒸汽渗透率足够高，在已述特定的实际应用中，水可以以与其使用相一致的速率来提供。这里所公开的薄膜的无孔性质用于防止任何微粒杂质通过这种薄膜，所述任何微粒杂质包括诸如细菌或病毒之类的微生物。另外发现，由本发明所述的亲水聚合物制成的薄膜可显著减少或防止溶解盐的通过。因此，不仅能够使用淡水，也能够使用包含悬浮或溶解的杂质的水，以通过全蒸发来产生期望数量的洁净水，从而允许包括但不限于海水或咸水的盐水在通过本发明的设备处理之后，被用于灌溉土地和维持植物生长，和/或用于将水蒸汽受控地释放到某一环境中。
亲水薄膜可形成为非支撑结构，或者被涂覆在或粘附到一支撑材料上。
有用的支撑材料包括可渗透水蒸汽的织物、无纺织物或粘合纸，纤维和筛网，其包括由对水稳定的诸如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维等等有机和无机聚合物纤维构成的支撑材料。支撑材料不仅增大了强度而且保护薄膜。支撑材料可仅设置在亲水聚合物薄膜的一侧或其两侧。当仅设置在亲水聚合物薄膜的一侧时，支撑材料可接触或远离水源。典型地，支撑材料设置在由亲水聚合物薄膜形成的管道的外侧，以最佳地保护薄膜免遭物理降解。
在其他因素中，水全蒸发通过由亲水聚合物制成的薄膜的速率取决于无水侧的水分含量。因此，本发明的灌溉系统是自调整的，并且可在本质上是“被动的”，从而在干燥条件下提供较多的水给植物，在湿润的条件下提供较少的水给植物。
在本公开的上下文中，在本发明的设备中使用的亲水薄膜包括一种或多种亲水聚合物。“亲水聚合物”是指在室温下接触液态水时根据国际标准化组织的规范ISO 62(等同于美国试验材料协会的规范ASTM D 570)吸收水的聚合物。
优选的亲水薄膜包括在总厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，依据ASTM E96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率(WVTR)至少为400g/m2/24h的亲水聚合物。更为优选的亲水薄膜层为在总厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，依据ASTM E96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率(WVTR)至少为3500g/m2/24h的亲水薄膜。
亲水聚合物可为一种聚合物或多种聚合物的混合物，例如，亲水聚合物可为如下所述的共聚醚酯弹性体或者两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物，例如由E.I.du pont de Nemours and Company生产的商标为
Figure A20078000940600101
的聚合物；或者亲水聚合物为聚醚嵌段聚酰胺或者两种或多种聚醚嵌段聚酰胺的混合物，例如由法国巴黎的Elf-Atochem Company生产的商标为PEBAX的聚合物；或者亲水聚合物为聚醚聚氨酯或者多种聚醚聚氨酯的混合物；或者亲水聚合物为聚乙烯醇的均聚物或共聚物，或者为聚乙烯醇的均聚物或共聚物的混合物。
特别优选的聚合物为共聚醚酯弹性体或者两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物，其中共聚醚酯弹性体具有通过酯键首尾连接的长链酯单元和短链酯单元的许多重复单元，其中长链酯单元由以下通式表示：
Figure A20078000940600102
并且所述短链酯单元由以下通式表示：
Figure A20078000940600103
其中：
a)G为在从数均分子量约400至4000的聚(环氧烷烃)乙二醇中去除末端羟基之后剩余的二价基；
b)R为在从分子量小于300的二羧酸中去除羧基之后剩余的二价基；
c)D为在从分子量小于约250的二醇中去除羟基之后剩余的二价基；可选地
d)共聚醚酯的重量占在共聚醚酯的长链酯单元中结合的共聚醚酯、氧化乙烯基的总重量的百分之0到68；以及
e)共聚醚酯包含约百分之25到80重量的短链酯单元。
该优选的聚合物适于制造为薄但坚固的薄膜、膜和涂层。该优选的聚合物，共聚醚酯弹性体以及其制造方法在现有技术中是已知的，例如在美国专利4,725,481中公开的技术，其中共聚醚酯弹性体具有3500g/m2/24hr的水蒸汽传送速率，或者美国专利4,769,2731中公开的技术，其中共聚醚酯弹性体具有400-2500g/m2/24hr的水蒸汽传送速率。二者均通过参考于此并入本文。
亲水薄膜可与抗氧稳定剂、紫外线稳定剂、水解稳定剂、染料或颜料、填充剂、抗菌试剂等相混合。
尽管更优选的是使用在厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，根据ASTM E96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率大于400g/m2/24h的共聚醚酯弹性体，但是在本发明的上下文中使用商业上可获取的亲水聚合物作为薄膜是可能的。最优选的是使用商业上可获取的共聚醚酯弹性体制成的薄膜，该共聚醚酯弹性体在厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，根据ASTME96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率大于3500g/m2/24h。
在本公开的上下文中，“生长介质”为植物的根部在其中生长的介质。因此，术语“生长介质”包括使用在但并不限于在农业、园艺和水栽培中的自然出现的或人工改变的土壤。这些土壤包括可变数量的沙、泥、粘土和腐殖质。“生长介质”还包括但不限于其它用于植物生长的材料，例如蛭石、珍珠岩、泥煤苔、碎椤树干、树皮屑或碎树皮以及碎椰子壳。

Claims (18)

1.一种灌溉系统，包括掩埋于生长介质中的波形管状亲水薄膜。
2.一种灌溉系统，包括掩埋于生长介质中的螺旋形管状亲水薄膜。
3.如权利要求1所述的灌溉系统，其中所述波形管状亲水薄膜形成为螺旋。
4.如权利要求1至3中任一项所述的灌溉系统，其中所述亲水薄膜被涂覆在支撑材料上或粘附至所述支撑材料。
5.如权利要求1至4中任一项所述的灌溉系统，其中所述亲水薄膜包括亲水聚合物，所述亲水聚合物在厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，根据ASTM E96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率至少为400g/m2/24h。
6.如权利要求1至5中任一项所述的灌溉系统，其中所述亲水薄膜包括：
共聚醚酯弹性体或者两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物；
聚醚嵌段聚酰胺或者两种或多种聚醚嵌段聚酰胺的混合物；
聚醚聚氨酯或者两种或多种聚醚聚氨酯的混合物；或者
聚乙烯醇的均聚物或共聚物或者两种或多种聚乙烯醇的均聚物或共聚物的混合物。
7.如权利要求1至6中任一项所述的灌溉系统，其中所述亲水薄膜包括：共聚醚酯弹性体或者两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物，其具有通过酯键首尾连接的长链酯单元和短链酯单元的许多重复单元，其中长链酯单元由以下通式表示：
Figure A2007800094060002C1
并且所述短链酯单元由以下通式表示：
Figure A2007800094060002C2
其中：
a)G为在从数均分子量约400至4000的聚(环氧烷烃)乙二醇中去除末端羟基之后剩余的二价基；
b)R为在从分子量小于300的二羧酸中去除羧基之后剩余的二价基；
c)D为在从分子量小于约250的二醇中去除羟基之后剩余的二价基；可选地
d)共聚醚酯的重量占在共聚醚酯的长链酯单元中结合的共聚醚酯、氧化乙烯基的总重量的百分之0到68；以及
e)共聚醚酯包含约百分之25到80重量的短链酯单元。
8.如权利要求1至7中任一项所述的灌溉系统，其中所述亲水薄膜包括共聚醚酯弹性体，其在厚度25微米的膜上使用23℃和相对湿度50％的空气以3m/s的速度进行测量，根据ASTM E96-95(程序BW)的水蒸汽传送速率大于400g/m2/24h。
9.一种灌溉生长介质的方法，所述方法包括：
将水从水源通过掩埋于生长介质中的波形管状亲水薄膜传送，从而水通过所述亲水薄膜传送并进入所述生长介质。
10.一种灌溉生长介质的方法，所述方法包括：
将水从水源通过掩埋于生长介质中的螺旋形管状亲水薄膜传送，从而水通过所述亲水薄膜传送并进入所述生长介质。
11.如权利要求9或10所述的方法，其中来自所述水源的水渗透进入所述亲水薄膜，横穿该薄膜，并接着以水蒸汽的形式从所述薄膜的反面被释放。
12.如权利要求9至11中任一项所述的方法，其中所述管状薄膜的端部没有密封；并且水冲刷通过所述管状薄膜，而不需将所述管状薄膜从所述生长介质中移开。
13.如权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述水源包括选自溶解杂质、悬浮杂质、污染物或生物材料中的杂质；并且所述杂质包含在所述管状薄膜内，不会传送至所述生长介质中。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述水源包含盐。
15.如权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述亲水薄膜为权利要求4至8中的任一项所限定的亲水薄膜。
16.一种掩埋于生长介质中的管状亲水薄膜，所述管道形成为螺旋。
17.如权利要求16所述的管状亲水薄膜，其中所述管道为波形，并且该波形管道形成为螺旋。
18.如权利要求16或17所述的管状亲水薄膜，其中所述亲水薄膜为权利要求4至8中的任一项所限定的亲水薄膜。
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