JP2013027400A - 灌水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成長培地を灌水するための灌水システムを提供する。
【解決手段】任意の特別な密閉空間で使用される親水性膜の表面積を所望の螺旋形状により増加させまたは減少させることによって、浸透気化のための制御された可変の表面積により、より大きいまたはより小さい灌水密度が得られる螺旋管状親水性膜または波形管状親水性膜を含む灌水システムである。
【選択図】なし

Description

本発明は、一般に、灌水されるべき成長培地に埋設するための灌水装置に関する。

成長培地に湿気を与え、かつ／または植物を灌水するための親水性膜の使用が知られている。例えば、ＷＯ−Ａ−９９／４００３１は成長培地に湿気を与えるための方法を開示しており、ここでは水蒸気が浸透気化プロセスにより非多孔質親水性膜を通過する。この親水性膜は、コポリエーテルエステルエラストマー、ポリエーテルブロックポリアミド、ポリエーテルウレタン、またはポリビニルアルコールなどの親水性ポリマーから作られる。この文献に開示された１つの実施形態では、膜は成長培地に埋設される容器を形成する。容器には水が供給され、次いで水は膜を通過し、浸透気化プロセスにより水蒸気として、成長培地の中に送られる。親水性膜が成長培地の中への汚染物質の通過を制限するので、この文献で開示された方法では汚染水を使用することができる。

同様に、ＷＯ−Ａ−０１／１０１９２は水用の容器を含む灌水装置を開示しており、ここでは容器が親水性膜、およびあらゆる形で水に対して不浸透性である１つの表面を含んでいる。容器は成長培地に完全に埋設することができる。ＷＯ−Ａ−０１／１０１９３は植物の根の生育を改変するための方法を開示しており、ここでは植物の根が、根が伸長するにつれて水を放出する親水性膜に極めて接近して生育する。この膜は成長培地に埋設されかつ水源に接続される密封された円筒の形にすることができる。

上記のシステムのすべてにおいて、親水性膜から形成される容器は、成長培地の中への汚染物質の漏れを防止するため、および／または成長培地に水の供給のきめの細かい制御を可能にするために密封される。もし膜が何らかの孔を有するならば、または膜が使用中に裂けるならば、汚染物質が成長培地の中に漏れるであろうし、水が容器から漏れて成長培地にあふれるだろう。

本出願人は、親水性膜が水と接触すると膜が水を吸収し、膨張することがあることに気づいた。例えば、コポリエーテルエステルエラストマーから作られる管は、水和すると長手方向に少なくとも１０％も膨張することができる。このことは、膜サイズの増加が成長培地の密閉空間に収容することができないとき、膜が上記の方法の場合のように成長培地に埋設されるならば、問題を生じることがある。例えば、３０ｍの長さの管の場合、管が水和すると長さに関して余分の３ｍを収容しなければならない場合がある。この膨張を収容することができないならば、膜は圧縮または歪められ、その結果裂けて破壊され、汚染水が成長培地の中に漏れる可能性がある。また、管は成長培地の閉じ込められた空間内でそれ自身の上に折り重なる場合があり、このことは水の通過または流れを妨げ、その有効性を低減するであろう。

本発明の目的は、前述の問題を少なくとも一部分は軽減する灌水装置を提供することである。

第１の態様から見ると、本発明は成長培地に埋設するための管状親水性膜を提供し、前記管は螺旋形に形成される。

第２の態様では、本発明は成長培地に埋設された螺旋管状親水性膜を含む灌水システムを提供する。

上述の種類の螺旋管状膜が成長培地に埋設されかつ水が供給されると、親水性膜の膨張、したがって長手方向の管の膨張は螺旋形状によっていっそう容易に収容することができる。なぜなら、管の膨張によって周囲の培地に加えられる圧力は２つの端部に閉じ込められるのではなく、次に長手方向に分配されるからである。言い換えれば、膜の軸線に沿った絶対線膨張が低減される。図１に示すように、「一直線の」脱水管（１）に水が供給されると、脱水管（１）は長手方向に膨張することがある。例えば、含水管（２）は脱水管（１）よりも１０％長い場合がある。しかし図２に示すように、脱水管が螺旋（３）に巻かれると水和作用時の管の長さの増加は３次元の膨張によって収容される。特に、管の長さの増加は螺旋の長さと同様に含水螺旋（４）の直径を増大させる。このことは、任意の１方向の膨張が最小限にされ、その結果膨張はいっそう容易に収容されることを意味する。このことは膜が裂けにくく、または折り重なりにくいことを意味する。したがって上で議論した欠点が低減される。

また螺旋形状は、任意の特別な密閉空間で使用される親水性膜の表面積を増加させまたは減少させることによって、浸透気化のための制御された可変の表面積を提供する。このことは所望により、より大きいまたはより小さい灌水密度が得られることを意味する。

第３の態様では、本発明は、成長培地に埋設された螺旋管状親水性膜を通して水を通過させるステップを含み、その結果浸透気化プロセスにより水が親水性膜を通過して、成長培地の中へ入る、成長培地を灌水する方法を提供する。

第４の態様では、本発明は、成長培地に埋設された波形管状親水性膜を含む灌水システムを提供する。

上述の種類の波形管状膜が成長培地に埋設されかつ水が供給されると、親水性膜の膨張、したがって長手方向の管の膨張は管材料の波形の性質によって収容することができる。特に、波形管材料の隆起と溝との間の距離は追加の膜材料を収容するために短くすることができる。言い換えれば、管壁の隆起と溝はアコーディオンの圧縮と同様な動作で圧縮することができる。したがって、管材料の全長の膨張を最小限にすることができる。

第５の態様では、本発明は、成長培地に埋設された波形管状親水性膜を通して水を通過させるステップを含み、その結果浸透気化プロセスにより水が親水性膜を通過して、成長培地の中へ入る、成長培地を灌水する方法を提供する。

本発明の１つの特に好ましい実施形態では、管状親水性膜は波形であり、波形管は螺旋形に形成される。この実施形態により、膜の膨張は波形の管材料の隆起および溝を圧縮することによって、および３次元に膜を膨張させることによって収容することができる。このようにして膜の膨張を収容することができる。加えて、波形の管材料は非波形の管材料に比べて可撓性が増大し、その結果容易に螺旋形に形成することができる。

本発明の管状膜は、先行技術のように、枯渇すると再び満たされる静水の容器として使用することもできる。たとえ管状膜の端部が密封されなくても、それにより成長培地から管が外れることなしに水が管を通してフラッシュされ得ることが好ましい。

１つの好ましい実施形態によると、水源は溶解した不純物、または懸濁性不純物、特に塩、汚染物、あるいは細菌またはウイルスなどの生物学的物質のような不純物を含む。１つの特に好ましい実施形態では、水源は海水または淡海水などの塩水を含む。

不純物を含む水が水源として使用される場合、不純物は管状膜の内に含まれ、成長培地の中へ入り込まない。管状膜の端部は、水が成長培地に支障をきたすことなく膜に供給できるように利用しやすいことが好ましい。

脱水管（１）の水の供給前後の図である。 螺旋状の脱水管（３）の水の供給前後の図である。

用語「螺旋形の」とは、導管の形状が厳密な数学上の螺旋であることを意味するものと解すべきではない。例えば、螺旋のループは同じサイズまたは同じ間隔である必要は全くない。

波形管とは、別個の相隔たるリング、あるいは螺旋または渦巻線から形成される管を意味し、この場合、螺旋または渦巻線の各リングあるいは各ループの間の材料は撓みやすく、したがってそれらは互いの方へおよび互いから遠ざかるように動くことができる。この種の管材料は「アコーディオン管材料（ａｃｃｏｒｄｉｏｎ ｔｕｂｉｎｇ）」と呼ばれる場合がある。しかし、リングまたはループは同じサイズであり、かつ／または同じ間隔を有する必要は全くない。リング、あるいは螺旋または渦巻線は管と異なる材料で作られかつそれに取り付けることもできるが、それらまたはそれは、例えば波打つプロフィールまたは鋸の歯のプロフィールに管の表面を形成することによって管自体から形成されることが好ましい。

本発明の管状膜は、例えば円形、楕円形、正方形等の任意の横断面を有することができる。

浸透気化とは、所与の溶媒が非多孔質膜またはコーティングの中に浸透し、膜の中を移動し、続いて蒸気の形で膜またはコーティングの反対面から放出されるプロセスを意味する。したがって、浸透気化は生成物が蒸気であり液体ではないという点で、知られている濾過、蒸留、または逆浸透プロセスとは異なる。溶媒が水ならば非多孔質親水性膜は浸透気化に適する。なぜならば水はこの種の膜により容易に吸収され、膜内を移動し、そこから放出されるからである。

「親水性膜」とは、水を吸収する、すなわち水が通過させる非多孔質膜を意味する。親水性膜中に湿度勾配がある場合、この吸収された水は膜の厚みを通り抜けて拡散することができ、その反対面から放出することができる。親水性膜またはコーティング（この開示において以下でひとまとめにして膜と呼ばれる）は下記で明確にするように十分に高い水蒸気透過率の特色をなし、したがって膜を通過した水は植物等を灌水するのに直接的に使用することができる。この種の膜は、同じまたは異なる親水性ポリマーを含むがこれに限定されない材料から作られる１つまたは複数の個々の層を含むことができる。膜の水蒸気透過率が全体で十分に高い限りは、この水は述べられるように所与の実際の用途においてその使用と矛盾しない速度で供給することができる。ここで開示した膜の非多孔質の性質は、細菌またはウイルスなどの微生物を含めて、この種の膜を通過することによって任意の微粒子不純物を除外する働きをする。加えて、本発明で説明した親水性ポリマーから作られる膜は溶解した塩の通過を著しく低減しまたは阻止することが分かった。したがって、浸透気化によって所望の量の精製水を生成するために、真水ばかりでなく懸濁性不純物または溶解した不純物を含むことがある水も使用することができ、海水または淡海水を含むがこれに限定されない塩水を、本発明を具現化する装置を通して処理した後、土地を灌水しかつ植物の生育を維持するために、および／または環境中に水蒸気を制御して放出するために使用することができる。

親水性膜は支持されない構造体の形で、あるいは支持材料に被覆されるまたは付着される形で存在することができる。

有用な支持材料には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ガラス繊維等のような湿気に安定な有機ポリマーおよび無機ポリマーの繊維から構成されるものを含めて、水蒸気に透過性の網目紙、不織紙、または接着紙、織物およびスクリーンがある。支持材料は強度を増加すると共に膜を保護する。支持材料は親水性ポリマー膜の１つの面のみに、または両面に配置することができる。１つの面のみに配置される場合、支持材料は水源と接触しているかまたはそれから離れていることができる。通常、支持材料は物理的劣化から膜を最もよく保護するように親水性ポリマー膜によって形成される管の外側に配置される。

水が親水性ポリマーから作られる膜を通して浸透気化する速度は、他の要因の中で水のない面の含水量に依存する。したがって本発明の灌水システムは自己調整的であり、事実上「受動的（ｐａｓｓｉｖｅ）」である場合があり、乾燥条件下では植物により多くの水を、湿潤条件下ではより少ない水を供給する。

この開示の内容において、本発明を具現化する装置で使用するための親水性膜は１種類または複数種類の親水性ポリマーを含む。「親水性ポリマー」とは、国際標準化機構仕様ＩＳＯ６２（米国試験材料協会仕様ＡＳＴＭ Ｄ ５７０に相当する）に従う室温で液体水と接触している場合に水を吸収するポリマーを意味する。

好ましい親水性膜は、総厚２５ミクロンのフィルムの場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると、少なくとも４００ｇ／ｍ^２／２４ｈの水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）を有する親水性ポリマーを含む。より好ましい親水性膜層は、総厚２５ミクロンのフィルムの場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると、少なくとも３５００ｇ／ｍ^２／２４ｈの水蒸気透過率を有する親水性ポリマーを含む。

親水性ポリマーは１種類またはいくつかの種類のポリマーの混合物であることができ、例えば、親水性ポリマーは、商品名Ｈｙｔｒｅｌ（登録商標）の下にＥ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから入手できるポリマーなどの、下で述べるようなコポリエーテルエステルエラストマーまたは２種類以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物、あるいはＰＥＢＡＸの商品名の下にＥｌｆ−Ａｔｏｃｈｅｍ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｐａｒｉｓ，Ｆｒａｎｃｅから入手できるポリマーなどの、ポリエーテルブロックポリアミドまたは２種類以上のポリエーテルブロックポリアミドの混合物、あるいはポリエーテルウレタンまたはポリエーテルウレタンの混合物、あるいはポリビニルアルコールのホモポリマーまたはコポリマー、あるいはポリビニルアルコールのホモポリマーまたはコポリマーの混合物であることができる。

特に好ましいポリマーは、エステル結合を介して頭−尾型結合した多数の繰返し長鎖エステル単位および短鎖エステル単位を有するコポリエーテルエステルエラストマー、または２種類以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物であり、上記長鎖エステル単位は式：

で表され、
上記短鎖エステル単位は式：

で表され、
ここで、
ａ）Ｇは、約４００〜４０００の数平均分子量を有するポリ（アルキレンオキサイ
ド）グリコールから末端ヒドロキシル基を除去した後に残る２価の基であり、
ｂ）Ｒは、３００より小さい分子量を有するジカルボン酸からカルボキシル基を除去した後に残る２価の基であり、
ｃ）Ｄは、約２５０より小さい分子量を有するジオールからヒドロキシル基を除去した後に残る２価の基であり、任意で
ｄ）コポリエーテルエステルは、コポリエーテルエステルの総重量に基づいて、コポリエーテルエステルの長鎖エステル単位に取り込まれたエチレンオキサイド基を０〜６８重量％を含み、
ｅ）コポリエーテルエステルは約２５〜８０重量％の短鎖エステル単位を含む。

この好ましいポリマーは、薄いが強い膜、フィルム、およびコーティングを作るのに適している。好ましいポリマー、コポリエーテルエステルエラストマー、およびそれを作る方法は当業界で知られており、例えば、３５００ｇ／ｍ^２／２４ｈｒの水蒸気透過率（ＷＶＴＲ）を有するコポリエーテルエステルエラストマーについて米国特許第４，７２５，４８１号に、または４００〜２５００ｇ／ｍ^２／２４ｈｒの水蒸気透過率を有するコポリエーテルエステルエラストマーについては米国特許第４，７６９，２７３号に開示されている。双方は言及することにより本明細書に盛り込まれている。

親水性ポリマーは酸化防止剤、紫外線安定剤、加水分解安定剤、染料、顔料、充填剤、抗菌剤等を用いて混合することができる。

膜として市販の親水性ポリマーを使用することは本発明の内容において可能であるが、２５ミクロンのフィルム厚の場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると４００ｇ／ｍ^２／２４ｈよりも大きい水蒸気透過率を有するコポリエーテルエステルエラストマーを使用することがより好ましい。厚さ２５ミクロンのフィルムの場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると３５００ｇ／ｍ^２／２４ｈよりも大きい水蒸気透過率を有する市販のコポリエーテルエステルエラストマーから作られる膜を使用することが最も好ましい。

この開示の内容において、「成長培地」はその中で植物の根が生育する培地である。したがって、用語「成長培地」は、農業、園芸、および水栽培で使用されるがこれに限定されない自然に生じる土壌、または人為的に改良した土壌を含む。これらの土壌はさまざまな量の砂、沈泥、粘土、および腐植土を含む。また、「成長培地」は、バーミキュライト、パーラット、草炭、細断された木生シダ幹、削られまたは細断された樹皮、および細断されたココナツ殻などの植物を生育するために使用される他の材料を含むがこれらに限定されない。

Claims (18)

1. 成長培地に埋設された波形管状親水性膜を含む、灌水システム。
2. 成長培地に埋設された螺旋管状親水性膜を含む、灌水システム。
3. 前記波形管状親水性膜が螺旋形に形成される、請求項１に記載の灌水システム。
4. 前記親水性膜が支持材料に被覆される、または支持材料に付着される、請求項１から３のいずれか一項に記載の灌水システム。
5. 前記親水性膜が、総厚２５ミクロンのフィルムの場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると、少なくとも４００ｇ／ｍ^２／２４ｈの水蒸気透過率を有する親水性ポリマーを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の灌水システム。
6. 前記親水性膜が、コポリエーテルエステルエラストマーまたは２種類以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物、ポリエーテルブロックポリアミドまたは２種類以上のポリエーテルブロックポリアミドの混合物、ポリエーテルウレタンまたは２種類以上のポリエーテルウレタンの混合物、あるいはポリビニルアルコールのホモポリマーもしくはコポリマーまたはポリビニルアルコールの２種類以上のホモポリマーもしくはコポリマーの混合物を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の灌水システム。
7. 前記親水性膜が、エステル結合を介して頭−尾型結合した多数の繰返し長鎖エステル単位および短鎖エステル単位を有するコポリエーテルエステルエラストマーまたは２種類以上のコポリエーテルエステルエラストマーの混合物を含み、前記長鎖エステル単位は式：
   

   

   で表され、
   前記短鎖エステル単位は式：
   

   

   で表され、
   ここで、
   ａ）Ｇは、約４００〜４０００の数平均分子量を有するポリ（アルキレンオキサイド）グリコールから末端ヒドロキシル基を除去した後に残る２価の基であり、
   ｂ）Ｒは、３００より小さい分子量を有するジカルボン酸からカルボキシル基を除去した後に残る２価の基であり、
   ｃ）Ｄは、約２５０より小さい分子量を有するジオールからヒドロキシル基を除去した後に残る２価の基であり、任意で
   ｄ）前記コポリエーテルエステルは、前記コポリエーテルエステルの総重量に基づいて前記コポリエーテルエステルの前記長鎖エステル単位に取り込まれたエチレンオキサイド基を０〜６８重量％を含み、
   ｅ）前記コポリエーテルエステルは約２５〜８０重量％の短鎖エステル単位を含む、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の灌水システム。
8. 前記親水性膜が、２５ミクロンのフィルム厚の場合に、ＡＳＴＭ Ｅ９６−９５（ＢＷ法）に従って速度３ｍ／ｓにおいて２３℃で相対湿度５０％の空気を使用して測定すると、４００ｇ／ｍ^２／２４ｈより大きい水蒸気透過率を有するコポリエーテルエステルエラストマーを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の灌水システム。
9. 成長培地に埋設された波形管状親水性膜を通して水源から水を通過させるステップを含み、これにより水が前記親水性膜を通過して、前記成長培地の中へ入る、成長培地を灌水する方法。
10. 成長培地に埋設された螺旋管状親水性膜を通して水源から水を通過させるステップを含み、これにより水が前記親水性膜を通過して、前記成長培地の中へ入る、成長培地を灌水する方法。
11. 前記水源からの水が前記親水性膜の中に浸透し、前記膜の中を移動し、その後、水蒸気の形で前記膜の反対面から放出される、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記管状膜の端部が密封されず、前記成長培地から前記管が外れることなしに前記管を通して水がフラッシュされる、請求項９から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記水源は溶解した不純物、懸濁性不純物、汚染物、または生物学的物質から選択される不純物を含み、前記不純物は前記管状膜の内に含まれ、前記成長培地の中へ入り込まない、請求項９から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記水源が塩を含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記親水性膜が請求項４から８のいずれか一項に規定されるような膜である、請求項９から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 螺旋形に形成される、成長培地に埋設するための管状親水性膜。
17. 前記管が波形であり、前記波形管が螺旋形に形成される、請求項１６に記載の管状親水性膜。
18. 前記親水性膜が請求項４から８のいずれか一項に規定されるような膜である、請求項１６または１７に記載の管状親水性膜。

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