JP2012060927A

JP2012060927A - 水耕栽培装置

Info

Publication number: JP2012060927A
Application number: JP2010207700A
Authority: JP
Inventors: Komei Yokoi; 康名横井; Yoshinobu Ito; 義展伊藤; Toshiaki Kato; 利明加藤; Masashi Takeda; 昌史竹田; Koichi Kume; 光一久米; Hideyuki Okano; 英幸岡野; Takashi Yokoi; 隆志横井
Original assignee: Anlet Co Ltd
Current assignee: Anlet Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2012-03-29

Abstract

【課題】栽培槽内の養液中の溶存酸素濃度を向上させ、植物の生育を助長可能な水耕栽培装置を提供すること。
【解決手段】植物を栽培する栽培パネルが設置される栽培槽６０と、栽培槽６０へ循環経路６５を介して養液を送り込むポンプユニットＰを備えた水耕栽培装置Ａにおいて、ポンプユニットＰは、吸込口と吐出口を設けたポンプケーシング４内に収められた一対のロータを駆動モータにより回転駆動されるルーツポンプ３と、その吸込口に接続される吸入管４５に介装される管路とからなり、吸い込んだ養液を衝突させる衝突部材５０と空気導入口４６を該管路に設け、ルーツポンプ３の運転により水槽７１から養液を吸い込むと共に空気導入口４６から取り込まれる空気が混入した養液を衝突部材５０に衝突させることにより多量の気泡を発生させ、かつ、当該ポンプによって生ずる微細化気泡を含む養液を栽培槽６０内へ放出させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、野菜や花などの植物を栽培槽内で養液を供給して栽培する水耕栽培装置に関する。

水耕栽培装置において、植物に水分や養分を与える養液中の溶存酸素濃度が低下したときには、植物の生育が芳しくないと言われる。

特許文献１には、栽培槽内の培養液に浸漬状態で配置される微細気泡発生器と、栽培槽内の培養液を微細気泡発生器へ送るポンプと、微細気泡発生器の空気導入口へ空気を供給する空気導入路を備えた水耕栽培装置において、微細気泡発生器が中心軸の周りを流体が旋回可能な旋回室と、旋回室の周面の接線方向から当該旋回室の周面に設けられた液体導入口と、旋回室の中心軸方向の一方の隔壁に設けられた空気導入口と、旋回室の中心軸方向の他方の隔壁に設けられた流体放出口を有し、その微細気泡発生器から微細気泡混じり培養液を放出することにより、酸素などの溶存濃度の高い培養液を循環させて植物の生育状態を活性化する水耕栽培装置が開示されている。

また、特許文献２には、送液ポンプを介装した養液供給経路と、ベンチュリー式吸引装置を介装した養液排出経路とを槽体に配置し、それら養液供給経路と養液排出経路との間に養液貯槽を配置した水耕栽培装置が開示されている。そして、その吸引装置の空気吹込口から送風機によって空気を吹き込むことによって養液排出経路の上流部分を真空状態として槽体内の養液を養液排出経路内に吸引し、吸引された養液を一旦養液貯槽に溜めてから送液ポンプによって養液供給経路を介して槽体内へ戻すように設けられている。

特許文献１の水耕栽培装置には、微細気泡の発生量がどの程度であるかについて具体的に記載されていない。そこで、当該公報に添付された微細気泡発生器の図面によれば、微細気泡発生器に開設された空気導入口は小径に表されていることから、微細気泡の発生量は少量であると思われる。このことから、特許文献１の水耕栽培装置は比較的小規模の水耕栽培装置に適用されると思われる。他方、特許文献２の水耕栽培装置は、槽体内に収容された養液をベンチュリー式吸引装置によって強制的に吸引して下流の養液貯槽へ排出する構成とされているが、養液中の溶存酸素濃度を高める技術事項に関しては何も記載されていない。

特許第４３３８４２７号公報特開２００１−６１３６０号公報

本発明の目的は、栽培槽内の養液中の溶存酸素濃度を向上させ、植物の生育を助長可能な水耕栽培装置を提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載した発明は、植物を栽培する栽培パネルが設置される栽培槽と、その栽培槽へ循環経路を介して養液を送り込むポンプユニットを備えた水耕栽培装置において、
前記ポンプユニットは、吸込口と吐出口を設けたポンプケーシング内に収められた一対のロータを駆動モータにより回転駆動される容積式回転ポンプと、その吸込口に接続される吸入管に介装される管路とからなり、その管路には吸い込んだ養液を衝突させる衝突部材と空気導入口を設け、
前記容積式回転ポンプの運転により前記循環経路中に設けられた水槽から養液を吸い込むと共に前記空気導入口から取り込まれる空気が混入した養液を前記衝突部材に衝突させることにより多量の気泡を発生させ、かつ、当該ポンプによる圧縮作用によって気泡を微細化し、その微細化された気泡を含む養液を前記栽培槽内へ放出するようにしたことを特徴とするものである。

同様の目的を達成するために請求項２に記載した発明は、植物を栽培する栽培パネルが設置される栽培槽と、その栽培槽へ循環経路を介して養液を送り込むポンプユニットを備えた水耕栽培装置において、
前記ポンプユニットは、吸込口と吐出口を設けたポンプケーシング内に収められた一対のロータを駆動モータにより回転駆動される容積式回転ポンプと、その吸込口に接続される吸入管に介装される空気導入口を備えた管路とからなり、
前記容積式回転ポンプの運転により前記循環経路中に設けられた水槽から養液を吸い込むと共に前記空気導入口から取り込まれる空気の気泡を当該ポンプの圧縮作用によって微細化し、その微細化された気泡を含む養液を前記栽培槽内へ放出するようにしたことを特徴とするものである。

同様の目的を達成するために請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載の水耕栽培装置において、前記容積式回転ポンプのハウジングの吸込み側の内側面に、ロータ軸を挿入する軸穴を中心として半径方向に延びる複数のせん断用溝を設け、前記ポンプケーシング内に混入して該せん断用溝に流入する夾雑物が前記ロータのローブの側縁と該せん断用溝の角縁とによるせん断作用によってせん断されるように構成したことを特徴とするものである。

養液に混入する植物の根やゴミ等の夾雑物は、容積式回転ポンプのロータのローブの側縁とせん断用溝の角縁とによるせん断作用によってせん断されて養液と一緒に排出されるため、ポンプのメカニカルシール部に夾雑物が付着しにくくなり、ポンプが安定して作動する。

（請求項１の発明）
この水耕栽培装置は、空気導入口から取り込まれる空気が混入した養液を衝突部材に衝突させることにより多量の気泡を発生させ、かつ、容積式回転ポンプによる圧縮作用によって微細化された気泡を栽培槽内の養液中に長時間溶存させることができる。これにより、養液中の溶存酸素濃度を向上させることができて、栽培する植物の生育が助長される。

（請求項２の発明）
この水耕栽培装置は、空気導入口から取り込まれる空気が混入した養液を容積式回転ポンプによる圧縮作用によって微細化し、微細化された気泡を栽培槽内の養液中に長時間溶存させることができる。これにより、養液中の溶存酸素濃度を向上させることができて、栽培する植物の生育が助長される。

本発明に係る水耕栽培装置ポンプユニットの側面図ルーツポンプの一部破断側面図ルーツポンプの一部破断正面図気泡発生管の説明図本発明装置に用いるルーツポンプの特性を示すグラフ溶存酸素濃度の変化を示すグラフ二酸化炭素ガス濃度の変化を示すグラフ

以下に、本発明の最良の形態例を図面に基づいて説明する。

本発明にかかる水耕栽培装置Ａは、図１に示すように、野菜等の植物を栽培する栽培パネル６１が設置される所定容積の栽培槽６０と、その栽培槽６０へ循環経路６５を介して養液を送り込むポンプユニットＰを備えている。図中、７１はポンプユニットＰによって栽培槽６０へ送られる養液を貯留するための水槽、７２は養液タンク、７３は水槽７１に水道水を補給するための補給管である。

ポンプユニットＰは、栽培槽６０に隣接して設置された架台１の上に、駆動モータ３８により回転駆動される容積式回転ポンプとしてのルーツポンプ３と、吸込口５に接続される吸入管４５に介装される管路とからなる。

ルーツポンプ３は、図３に示すように、吸込口５と吐出口６を設けたポンプケーシング４の内部に、吸込口部８を斜め上方に、吐出口部９を斜め下方に設けたロータケーシング７が４５度傾けて配置されている。ロータケーシング７の吸込口部８の上隅部７ａとポンプケーシング４の吸込口５側の天部４ａとは、壁１０により連接されている。また、吐出口部９の下隅部７ｂから横方向へ凹円弧壁１１が一体に形成され、その凹円弧壁１１のほぼ中間部とポンプケーシング４の底部４ｂとは、縦壁１２により連接されている。１３は縦壁１２に設けられたバイパス穴である。

１４，１４はポンプケーシング４の周壁に設けられたドレン用穴、１５はポンプケーシング４の天部４ａに設けられた給水穴である。１７は一方のドレン用穴１４に螺着されたキャップ、２１は給水穴１５に螺着されたキャップである。他方のドレン用穴１４に螺着されるキャップ１８には、前記バイパス穴１３に先端部を挿入するロッド１９が中心部に突設されている。

吸込口５には、逆止弁２２を介装して配管のためのフランジ金具２３が取り付けられている。フランジ金具２３の上部には、外部空気をポンプケーシング４内に適宜導入するための開閉コック２４を設けている。吐出口６には、フランジ金具２５を取り付けている。

ロータケーシング７には、一対の２葉式ルーツロータ２６を収めている。図４に示すように、ルーツロータ２６のロータ軸２７は、ポンプケーシング４の両側に夫々固定されたハウジング３０，３１に装着したベアリング３２，３２により回転自由に支持するように設けられている。下方のロータ軸２７のハウジング３０から突出する一端にはプーリ３４を取付け、駆動モータ装置３８により伝動ベルト３９を介して該プーリ３４を回転駆動するように設けられている（図２）。ロータ軸２７の他端にはタイミングギア３５を夫々固定し、それらのタイミングギア３５，３５を噛合するように設けている。３６はハウジング３１の開口部に取り付けたギアカバーである。

ハウジング３０，３１には、ロータ軸２７を支持するベアリング３２の奥に、公知のメカニカルシールを収納したスタッフィングボックス３３が設けられている。

ルーツロータ２６については、ロータ軸２７を除いて形成された芯金部２６ｂの外側にポリウレタンゴム材（又はニトリルゴム材）によりライニング加工を施している。

なお、この実施例のルーツポンプ３では、２葉式ルーツロータ２６を採用しているが、これに限定されることなく、３葉式等の多葉式ルーツロータを適用することもできる。

ハウジング３０の内側面の吸い込み側に相当する箇所には、ロータ軸２７が挿入される軸穴３０ａを中心として半径方向に延びる複数の、例えば３個のせん断用溝３０ｂを設ける。せん断用溝３０ｂの大きさについては、幅：５〜１５ｍｍ、長さ：１５〜２５ｍｍ、深さ：５〜１０ｍｍとする。また、せん断用溝３０ｂの長さについては、１個目は軸穴３０ａの内端縁からロータケーシング７の内径の中間位置まで、２個目は軸穴３０ａの内端縁からロータケーシング７の内径の３／４の位置まで、３個目は軸穴３０ａの内端縁近くからロータケーシング７の内径から若干突出する位置までというように、ルーツロータ２６の回転方向に合わせて変化させるように設けることもできる。
なお、他方のハウジング３１についても、同様のせん断用溝（（図示せず））を設ける。

しかして、養液と一緒にロータケーシング７内に流入してせん断用溝３０ｂに入り込む植物の根やゴミ等の夾雑物は、ルーツロータ２６のローブ２６ａの側縁とせん断用溝３０ｂの角縁とによるせん断作用によってせん断され、吐出口６から外へ排出される。

フランジ金具２３に取り付けられた吸入管４５に連通する管路５５には、複数の空気導入口４６を設けている。４８は空気導入口４６に接続した導入管４７に取付けられた開閉弁である。

空気導入口４６よりもルーツポンプ３の吸入口５に近い箇所には、気泡発生させるための衝突部材５０を大径部４９ａに内蔵した気泡発生管４９を介装している。図５に示すように、衝突部材５０は、大径部４９ａの内底に載せられるリング５０ａから上方へ延びる４本の脚５０ｂの上端に円形板５０ｃを一体に固定した形態とされている。

なお、上記管路５５には、気泡発生管４９を介装しないで、空気導入口のみを設ける構成とすることもある（請求項２の発明）。
因みに、本発明者の研究実験によれば、ルーツポンプの吐出容量が毎分２００リットル以下の小容量の場合に気泡発生管４９を必要とし、毎分２００リットル以上の中・大容量の場合には気泡発生管４９を必要としないことが確認された。

前記循環経路６５は、ポンプユニットＰの吸入管側に接続されて先端にフィルタ６７が取り付けられた吸込みパイプ６６、同ポンプユニットＰのフランジ金具２５に取り付けられた排出管６８、栽培槽６０から溢れる養液を水槽７１に導くための戻し管６９からなる一連の養液の流れる通路をいう。

以上により、駆動モータ装置３８の駆動によりルーツポンプ３の２葉式ルーツロータ２６が回転することにより、吸入管４５から養液を吸い込むと共に空気導入口４６からエジェクタ作用によって取り込まれる空気が混合した養液を衝突部材５０に衝突させることにより多量の気泡を発生させ、かつ、ルーツポンプ３による圧縮作用により気泡を微細化し、微細化された気泡が含まれた養液を排出管６８から排出するポンプユニットＰが構成される。

しかして、ポンプユニットＰの運転により水槽７１内の養液が吸込みパイプ６６内に吸い込まれると共に空気導入口４６からエジェクタ作用により取り込まれる空気を混合した養液が気泡発生管４９の衝突部材５０に衝突することにより多量の気泡が発生し、ついで、ルーツポンプ３による圧縮作用により気泡が微細化され、微細化された気泡が含まれた養液を排出管６８から水槽７１に放出する本発明にかかる水耕栽培装置Ａが構成される。

（実験１）
本発明にかかる水耕栽培装置Ａのルーツポンプに関し、吸込水量に対する吸込空気量の割合について下記条件下で清水を使用して測定する実験を行なった。実験結果を図６のグラフに示す。
（実験条件）
ルーツポンプの諸元
ルーツポンプの口径：５０ｍｍ
回転速度：６５０ｒｐｍ
モータ出力：１．５Ｋｗ
吸込圧力：−２０ｋＰａ
吐出圧力：１０ｋＰａ

実験の結果、吸込水量に対する吸込空気量の割合は、５〜３０％となり、エジェクタ作用により大量の空気が清水に混合されることが確認された。

（実験２）
本発明にかかる水耕栽培装置Ａの時間経過による清水中の溶存酸素濃度について、吸込空気量を異ならせて比較する実験を行なった。その実験結果を図７のグラフに示す。
（実験方法）
無水亜硫酸ナトリウム粉末を水槽内に投入して溶存酸素濃度をほぼゼロに調整した後に、時間経過による溶存酸素濃度を溶存酸素計（飯島電子工業：ＤＯメータ、ＩＤ−１００）により測定した。なお、無水亜硫酸ナトリウム粉末の投入量は、水１００リットル当たり１０〜１５ｇとした。
（実験条件）
水槽容積：２３２０リットル
水温：１１℃
水深：１ｍ
ルーツポンプの諸元
ルーツポンプの口径：５０ｍｍ
回転速度：６５０ｒｐｍ
モータ出力：１．５Ｋｗ
吐出水量：２００リットル／分
吸込空気量：２０リットル／分、４０リットル／分

実験の結果、吸込空気量が４０リットル／分の場合、溶存酸素濃度は２０分経過後に９．２ｍｇ／リットルに達し、短時間で水中の溶存酸素濃度が上昇することが確認された。

（実験３）
栽培槽６０の養液中の二酸化炭素ガス濃度（ＣＯ_２濃度）を測定したところ、その値は約２００ｍｇ／リットルであった。そこで、本発明にかかる水耕栽培装置Ａを利用して微細気泡を供給することによる清水中の二酸化炭素ガス濃度の変化を測定する実験を行なった。その実験結果を図８のグラフに示す。

（実験方法）
水槽内の清水にルーツポンプの空気導入口から濃度１００％の二酸化炭素ガスをガスボンベから約７分間供給し、清水中の二酸化炭素ガス濃度が２００ｍｇ／リットルとなった時点でガスの供給を停止し、ついで空気導入口から空気を毎分１０リットル供給し、時間経過による二酸化炭素ガス濃度及び溶存酸素濃度（ＤＯ濃度）の変化を測定した。
（実験条件）
水槽容積：９５０リットル
水温：２６℃
ルーツポンプの諸元
ルーツポンプの口径：５０ｍｍ
回転速度：６５０ｒｐｍ
モータ出力：１．５Ｋｗ
吐出水量：２００リットル／分
二酸化炭素ガス供給量：１０リットル／分
吸込空気量：１０リットル／分

実験の結果、清水中の二酸化炭素ガス濃度（ＣＯ_２濃度）は微量の気泡を供給することにより低下し、約５２分後には１００ｍｇ／リットルとなった。その間、溶存酸素濃度（ＤＯ濃度）については７．５〜７．８ｍｇ／リットルで安定しており、水耕栽培にとって過剰に含有されることが好ましくないとされる二酸化炭素ガスの濃度を半減することができた。

因みに、一般の水田における溶解二酸化炭素ガス濃度は、５０〜６０ｍｇ／リットルと言われている。

Ａ・・・本発明にかかる水耕栽培装置
６０・・・栽培槽
６５・・・循環経路
７１・・・水槽
Ｐ・・・ポンプユニット
３・・・ルーツポンプ（容積式回転ポンプ）
４・・・ポンプケーシング
５・・・吸込口
６・・・吐出口
２６・・・２葉式ルーツロータ（ロータ）
３０，３１・・・ハウジング
３０ｂ・・・せん断用溝
３８・・・駆動モータ
４５・・・吸入管
４６・・・空気導入口
５０・・・衝突部材

Claims

植物を栽培する栽培パネルが設置される栽培槽と、その栽培槽へ循環経路を介して養液を送り込むポンプユニットを備えた水耕栽培装置において、
前記ポンプユニットは、吸込口と吐出口を設けたポンプケーシング内に収められた一対のロータを駆動モータにより回転駆動される容積式回転ポンプと、その吸込口に接続される吸入管に介装される管路とからなり、その管路には吸い込んだ養液を衝突させる衝突部材と空気導入口を設け、
前記容積式回転ポンプの運転により前記循環経路中に設けられた水槽から養液を吸い込むと共に前記空気導入口から取り込まれる空気が混入した養液を前記衝突部材に衝突させることにより多量の気泡を発生させ、かつ、当該ポンプによる圧縮作用によって気泡を微細化し、その微細化された気泡を含む養液を前記栽培槽内へ放出するようにしたことを特徴とする水耕栽培装置。
植物を栽培する栽培パネルが設置される栽培槽と、その栽培槽へ循環経路を介して養液を送り込むポンプユニットを備えた水耕栽培装置において、
前記ポンプユニットは、吸込口と吐出口を設けたポンプケーシング内に収められた一対のロータを駆動モータにより回転駆動される容積式回転ポンプと、その吸込口に接続される吸入管に介装される空気導入口を備えた管路とからなり、
前記容積式回転ポンプの運転により前記循環経路中に設けられた水槽から養液を吸い込むと共に前記空気導入口から取り込まれる空気の気泡を当該ポンプの圧縮作用によって微細化し、その微細化された気泡を含む養液を前記栽培槽内へ放出するようにしたことを特徴とする水耕栽培装置。
前記容積式回転ポンプのハウジングの吸込み側の内側面に、ロータ軸を挿入する軸穴を中心として半径方向に延びる複数のせん断用溝を設け、前記ポンプケーシング内に混入して該せん断用溝に流入する夾雑物が前記ロータのローブの側縁と該せん断用溝の角縁とによるせん断作用によってせん断されるように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の水耕栽培装置。