JP7588840B2 - 負圧を利用した培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システム - Google Patents

Description

本発明は養液栽培に使用する培養液等を、原水に培養原液を混ぜて作製する培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムに関し、特に原水、培養原液、培養液の移送などに使用するポンプの数を減じた培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムに関する。また培養原液のみならず、施設や設備等で使用される薬剤その他の液体成分を水中に混入した溶液を作成する溶液作製装置に関する。

従来、施設や設備で使用する水中に、薬液や養分等の様々な液体成分を混入させるための装置が提供されている。例えば工場などの設備において各種製造や処理工程で使用する水中に薬液を混入させたり、あるいは水道設備において水中に各種薬液を混入させる装置が提供されている。特に農業分野では、近年普及している養液栽培において、植物に供給する培養液を作製する為に、原水に養分や薬液等の各種成分を混入させる培養液作製装置が使用されている。

かかる養液栽培における栽培用給液装置については、本願特許出願人も特許文献１（特開２０１８－３３３３３号公報）で、養液の肥料成分濃度を正確に管理できる給液装置を提案している。この文献１では、原水を供給する原水供給部と、肥料を供給する肥料供給部と、前記原水供給部から供給される前記原水と前記肥料供給部から供給される前記肥料とを混合して養液とする混合部と、前記原水供給部によって供給する前記原水の電気伝導度を測定する第１電気伝導度測定部と、前記混合部で混合された前記養液の電気伝導度を測定する第２電気伝導度測定部と、前記第１電気伝導度測定部で測定される前記原水の電気伝導度と前記第２電気伝導度測定部で測定される前記養液の電気伝導度とに基づき、前記肥料供給部による前記肥料の供給を制御するコントローラを具備する給液装置を提案している。

また特許文献２（特開昭６３－３６７２０号公報）では、養液栽培における培養液の給液方法およびその装置として、培地に予め設定された時間に培養液を供給するとともに、該設定時間とは別の時間に、照度を検出しこの検出照度に応じて培養液を供給するようにした養液栽培における培養液の給液方法を提案している。そしてこの文献において、「原液供給管７，８は培養液の原液を混合して貯液タンク１に送り込むための混合器１０ａを介して該循環用管体１０に接続されて」おり、「貯液タンク１の液高が予め設定されたレベルに達するまで送水されたとき、給水ポンプ１１を停止し、および／または電動弁１１ａを閉じて水の供給を止め、次いで循環ポンプ９を作動させて貯液タンク１内の培養液を、循環用パイプ１０を介して循環せしめ、供給した水と既に残留している培養液とを十分に撹拌混合する」こと、及び「撹拌された培養液の濃度が設定された濃度に達するまで原液の供給を行い、設定された濃度に達したことを電気伝導度センサ１３により検出したとき、電磁弁５，６を閉じて原液の供給を停止する」ことを開示している。そして、「設定された時刻になったときに、タイマー回路からの信号により給液ポンプ１５が作動し、貯液タンク１内に貯液されている培養液をストレーナ１７、供給管１６を介して培地２に供給する」ものとなっている。

特開２０１８－３３３３３号公報 特開昭６３－３６７２０号公報

上述の通り本願出願人も特許文献１において養液栽培における培養液の供給装置を提案しているが、植物に供給する培養液は、原水供給路で案内される原水中に肥料を供給して混合しており、培養液の貯留タンクは使用していない。この点、前記特許文献２では、原水中に培養液の原液を混合して所定の濃度に設定した培養液を貯留する為の貯留タンクを使用している。

そして前記特許文献１の実施形態では、原水を送水する送水ポンプと、肥料を原水との混合部に注入する注入ポンプを使用しており、特許文献２の培養液供給装置では、貯液タンク内の培養液を循環させるための循環ポンプと、貯液タンクから培地に培養液を供給するための給液ポンプを使用している。

ここで養液培養装置においては、地下水や河川の水を原水として使用する事が多く、ストレーナやフィルタを設置したとしても原水中には細かな土砂などの異物が混入することは回避できない。そして細かな異物は、原水や薬液（又は肥料）等を移送する為のポンプに混入することも考えられることから、当該ポンプはできるだけ少ない方がメンテナンス上有利である。

また、ポンプを多く設置した場合には、設置した分だけコストが嵩んでしまうことから、導入費用の点でも使用するポンプは少ない方が望ましい。更に、原水や薬液（又は肥料）等を移送するポンプが多くなれば、所定の濃度の培養液を一定量供給する為の管理も複雑となることから、運転時における維持管理が複雑化する。

そこで本発明はこれらの問題を解決するべく、メンテナンスが容易であり、設置コストを削減することができ、及び運転時における維持管理を容易にすることのできる、少なくとも何れかの効果を得られる培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムを提供することを課題とする。

そして本発明では、溶液栽培のみならず、設備や施設等において薬剤や各種配合成分などの液体成分を水中に混入した溶液を作成することができ、当該溶液の作製と、当該溶液の供給を１つのポンプで行う事のできる溶液作製装置及びこれを用いた溶液供給システムを提供することも別の課題とする。また、原水中への液体成分の撹拌・混合を確実に行う事のできる溶液作製装置及びこれを用いた溶液供給システムを提供することも別の課題とする。

上記課題の少なくとも何れかを解決する為に、本発明では、液体成分を混入させた溶液を供給するポンプを利用して、水中に液体成分を混入させた溶液を作製できるようにした溶液作製装置及びこれを用いた溶液供給システムを提供する。

かかる溶液作製装置は、施設又は設備に供給される原水に薬液等の液体成分を供給して溶液を作製する為の溶液作製装置であって、液体成分を混入した溶液を貯留する溶液貯留タンクと、当該溶液貯留タンク内の溶液を液送するポンプとからなり、当該ポンプの下流側には、施設又は設備に溶液を供給する溶液供給配管と、前記溶液貯留タンクに戻す循環用配管とを設けて構成することができる。

上記溶液作製装置において、液体成分は溶液貯留タンクに直接投入する他、前記ポンプと前記溶液貯留タンクとの間に設けられる主配管に供給することができる。また前記液体成分としては、工場や上下水道などの施設、或いは設備や装置等で使用される薬剤、塗料、配合成分を含み、更に溶液栽培における液体肥料や液体農薬などの各種成分であって良い。

而して本発明では、上記課題の少なくとも何れかを解決する為に、培養液を作物に供給するポンプを利用して培養液を作製できるようにした培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムを提供する。

即ち本発明では、培養液貯留タンク内に貯留された原水に培養原液を供給して培養液を作製する為の培養液作製装置であって、培養液を貯留する培養液貯留タンクと、当該培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプとからなり、当該ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられている培養液作製装置を提供する。

かかる培養液作製装置において、培養原液は前記際培養液貯留タンク内に供給する他、前記ポンプと前記培養液貯留タンクとの間に設けられた主配管に供給することができる。

また本発明では、培養液貯留タンク内に貯留された原水に培養原液を供給して培養液を作製する為の培養液作製装置であって、培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプと、当該ポンプと前記培養液貯留タンクとの間に設けられた主配管に接続された培養原液供給配管とからなり、前記ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられている培養液作製装置を提供する。

かかる培養液作製装置では、ポンプを動作させることによって、それよりも上流側に存在する主配管を負圧とし、この負圧となった領域に培養原液供給配管を接続することで、当該主配管中に培養原液を供給することができる。

よって前記培養原液供給配管の上流側を、培養原液が貯留された培養原液タンクに接続し、当該培養原液タンク内の培養原液は、前記培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプによって吸引する培養原液供給装置とすることができる。

また前記ポンプの下流側には、前記培養液供給配管に流すか又は循環用配管に流すかを切り替える切換バルブを設けるか、或いは前記培養液供給配管及び循環用配管の夫々に開閉バルブを設けることもできる。

そして前記主配管および培養原液供給配管の少なくとも何れかには配管内の流量を規制するバルブを設けることができる。主配管のバフ部を調整することにより、その中を流れる流量を調整することができ、例えば当該主配管を閉じた状態でポンプを動作させれば培養原液だけを選択的に液送することも可能となる。一方で、培養液貯留タンク内の培養液の濃度が所望の値となった後においては、前記培養原液供給配管を閉じた状態でポンプを動作させれば、当該培養液だけを液送することが可能となる。

また本発明に係る培養原液供給装置において、前記培養原液タンクは２つ以上設けることができる。即ち２種以上の培養原液によって培養液を作製することができる。この時、前記培養液供給配管は夫々の培養原液タンクに接続されると共に、それぞれの培養液供給配管は、前記主配管における異なる場所に接続することが望ましい。使用する培養原液によっては、両者を原液で混合することにより固形物が析出することもあり、よって当該固形物の析出を回避する為に、それぞれの培養原液供給配管を離れた位置で主配管に接続することが望ましい。

そして本発明では、前記課題の少なくとも何れかを解決する為に、前記本発明に係る培養原液供給装置を用いて制作した培養液を供給する養液栽培システムを提供する。即ち、養液栽培において植物に培養液を供給する養液栽培システムであって、培養液貯留タンク内に前記培養液を作製する培養液作製装部と、作製された培養液貯留タンク内の培養液を植物に供給する給液部とからなり、当該培養原液供給部として前記本発明に係る培養原液供給装置が使用されている、養液栽培システムを提供する。

かかる養液栽培システムにおいて、培養液を作製する培養液作製装部において液送するポンプとして、培養液貯留タンク内の培養液を植物に液送する為のポンプを利用する事が望ましい。

上記本発明に係る培養原液供給装置は、培養液を貯留する培養液貯留タンクと、当該培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプとからなり、当該ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とを設けていることから、当該ポンプによって培養液貯留タンク内の培養液を吸液すると共に、循環用配管を通して培養液貯留タンクに戻すことによって培養液の撹拌を促進させることができる。即ち、１つのポンプによって培養液の撹拌と培養液の植物への供給を行う事のできる培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムとする事ができる。

また上記本発明に係る培養原液供給装置は、培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプと、当該ポンプと前記培養液貯留タンクとの間に設けられた主配管に接続された培養原液供給配管とからなり、前記ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられていることから、培養液貯留タンクにおける培養液の作製と、培養液貯留タンク培養液の供給を共通のポンプで行うことができる。

そして前記培養原液供給配管の上流側を、培養原液が貯留された培養原液タンクに接続し、当該培養原液タンク内の培養原液を、前記培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプによって吸引することにより、培養原液タンクが低い位置に設置された場合であっても内部の培養原液を１つのポンプで吸い上げて培養液を作製でき、また培養原液タンクにおける液量に関係なく一定量の培養原液を、別途ポンプを設けることなく供給できる培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムとする事ができる。

よって本発明に係る培養原液供給装置及びこれを用いた養液栽培システムは、メンテナンスが容易であり、設置コストを削減することができ、及び運転時における維持管理を容易にすることのできる、少なくとも何れかの効果を得られる培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムを提供することができる。

特に主配管に配管内の流量を規制するバルブを設けた場合には、当該バルブを閉じることにより、培養原液供給配管から供給される培養原液のみを循環用配管で培養液貯留タンクに供給することができる。また培養原液供給配管に、配管内の流量を規制するバルブを設けた場合には、これを閉じることにより培養液貯留タンク内の培養液をそのままの濃度で植物に供給できる培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムとする事ができる。

そして前記培養原液タンクを２つ以上設け、前記培養液供給配管を夫々の培養原液タンクに接続した場合には、それぞれの培養液供給配管を前記主配管における異なる場所に接続することにより、２種類の養液が原液で混ざることによる固形物の析出を回避可能な培養液作製装置及びこれを用いた養液栽培システムとする事ができる。

第１の実施の形態にかかる養液栽培システムでの培養液作製時における養液栽培システムを示す回路図 第１の実施の形態にかかる養液栽培システムでの培養液供給時における養液栽培システムを示す回路図 第２の実施の形態にかかる養液栽培システムでの培養液作製時における養液栽培システムを示す回路図

以下、図面を参照しながら、本実施の形態にかかる負圧を利用した溶液作製装置及びこれを用いた溶液供給システムを具体的に説明する。特に本実施の形態では、養液栽培における培養液の作製に使用した例を示しており、当該養液栽培システムは、本発明に係る培養原液供給装置を培養液作製装部として使用している。

図１は第１の実施の形態に係る培養原液供給装置を用いて形成した養液栽培システムを示す回路図であって、培養液作製時における動作状態を示している。当該養液栽培システム１０は、農植物の養液栽培に用いられるものであって、培養液貯留タンク２０内に貯留される原水ｗに培養原液ｆａ，ｆｂとを混合して培養液１５を作製し、この培養液１５を栽培ベッドの培地に供給するものである。

特にこの実施の形態に係る培養液作製部は、ポンプ３０と前記培養液貯留タンク２０との間に、当該培養液貯留タンク２０内の培養液１５（又は原水）を送液する主配管２５が設けられており、前記培養原液は当該主配管２５に接続された培養原液供給配管５０によって供給されている。培養液貯留タンク２０内における培養液１５の作製は、ポンプ３０によって主配管２５内を移送される原水中に培養原液供給配管５０で案内された培養原液ｆａ，ｆｂを供給し、これを循環用配管１６で培養液貯留タンク２０に還流することによって行うことができる。

即ち、培養液貯留タンク２０には、例えば井水や水道水などの原水ｗが、配管で構成される原水供給路２７によって案内され、フロートスイッチ２２によって一定量貯留される。当該原水供給路２７には、上流側から順に、ボール弁からなる給水バルブ２８、原水ｗに混入している異物を除去するストレーナ２９、及び給水電磁バルブ２１を設けている。培養液貯留タンク２０には、原水ｗの水位を検出するレベルスイッチ２３が設けられているとともに、培養液貯留タンク２０内の原水ｗを排水するための排水バルブ２４が接続されている。そしてこの培養液貯留タンク２０には、培養液１５を作製する時の原水ｗ、および濃度等を調整した後の培養液１５を移送する為の主配管２５を接続している。この主配管２５には培養液貯留タンク２０からの液送をオン／オフする為のボール弁２６を設けており、その下流側には培養原液を収容する培養原液タンク内の培養原液を案内する培養原液供給配管５０を連結している。特に本実施の形態において培養液１５は２種類の培養原液ｆａ，ｆｂを用いて調整していることから、前記培養原液タンク４４（４４ａ，４４ｂ）と培養原液供給配管５０（５０ａ，５０ｂ）とはそれぞれ２つ設けている。そして各培養原液供給配管５０は、主配管２５における流れ方向の異なる位置（即ち上流側と下流側）に設けている。このように培養原液供給配管５０の接続位置を異ならせることにより、原液同士が混ざり合うことによる固体の析出を回避することができる。

そして前記培養原液供給配管５０の接続部よりも下流側には、主配管２５における液送を行う為のポンプ３０を設けている。かかるポンプ３０を動作させることにより、前記主配管２５を通って培養液貯留タンク２０内の原水が案内されると共に、当該主配管２５内は負圧（約－０．０２Ｍｐａ程度）となる。これにより前記培養原液供給配管５０（５０ａ，５０ｂ）を通って培養原液タンク４４（４４ａ，４４ｂ）内の培養原液ｆａ，ｆｂが吸引されて、主配管２５を案内される原水に混ざり込むことになる。そして培養原液が混入された原水（又は培養液１５）は、前記ポンプ３０を通って、当該ポンプ３０の下流側に設けられた循環用配管１６を通り、前記培養液貯留タンク２０内に還流される。この時、前記培養原液が混入した原水はポンプ３０と循環用配管１６を通る間に十分に撹拌されることから、培養液貯留タンク２０には均一な濃度の培養液１５として還流することができる。

以上の様な原水中への培養原液の混入と、ポンプ３０及び循環用配管１６による培養液貯留タンク２０ヘの還流を繰り返すことにより、当該培養液貯留タンク２０内における培養液１５の濃度は所定の値とすることができる。かかる培養液濃度が一定になった後においては、当該培養液貯留タンク２０内の培養液１５を植物に供給する為に使用することができる。

図２は第１の実施の形態に係る培養原液供給装置を用いて形成した養液栽培システムを示す回路図であって、上記の様に作成した所定濃度の培養液１５を植物に供給する時の動作状態を示している。

図２に示す様に、培養液１５の供給時には、培養原液供給配管５０に設けられた各電磁弁５１ａ，５１ｂを閉じると共に、循環用配管１６に設けられた循環電磁弁１７を閉じて前記ポンプ３０を稼働させる。これにより培養液貯留タンク２０内の培養液１５は、主配管２５、ポンプ３０を通って培養液供給配管１８を通り、植物が植生されている栽培ベッド（図示せず）に案内される。かかる培養液供給配管１８には、培養液１５を濾過する為のフィルタ６０と、当該培養液供給配管１８を開閉する為の給液電磁弁６５と、供給している培養液１５を取り出すためのサンプル弁６３を設けている。

そして本実施の形態に係る養液栽培システム１０では、培養液１５の作製時、および培養液１５の供給時における濃度や流量などを制御する為のコントロール部を設けている。かかるコントロール部３１はＥＣ（電気伝導度）調整部３２、圧力一定制御部３３と、タイマー制御部３３とで構成している。

ＥＣ（電気伝導度）調整部３２は、給液する養液の肥料成分濃度が所定の目標肥料成分濃度となるように、原水と培養原液ｆａ，ｆｂの供給を制御する。すなわち、レベルスイッチ２３の値とポンプ３０の下流側に設けた電気伝導度測定部４１における値（電気伝導度値）に基づいて、培養原液供給弁を制御することができる。なお、当該電気伝導度測定部４１は培養液貯留タンク２０内に設け当該タンク内の培養液の電気伝導値を測定しても良い。但し、当該電気伝導度測定部４１をポンプ３０の下流側に設けた場合には、培養原液が混入した直後の値を測定することができることから、培養液の濃度調整を迅速かつ正確に行うことができる。

また圧力一定制御部は、ポンプ３０の下流側に設けた圧力センサ４２の値に基づいてポンプ３０の動作を制御することができる。なお、当該圧力センサ４２は、前記循環用配管１６と培養液供給配管１８の分岐部分よりも上流側に設けることが望ましい。そしてタイマー制御部では、内部のタイマーによって前記給水電磁弁２１、循環用配管１６に設けた循環電磁弁１７、及び培養液供給配管１８に設けた給液電磁弁６５の開閉タイミング（時間または日など）や開閉時間等を制御することができる。

次に図３を参照しながら、第２の実施の形態に係る培養原液供給装置を用いて形成した養液栽培システム１０を説明する。特に図３は培養液１５の作製時における動作状態を示す回路図である。この実施の形態に係る養液栽培システム１０は、培養原液を培養液貯留タンク２０内に直接供給するように構成している。即ち、２つの培養原液タンク４４（４４ａ，４４ｂ）に繋がる培養原液供給配管５０（５０ａ，５０ｂ）は、それぞれが培養液貯留タンク２０内に案内されている。かかる培養原液ｆａ，ｆｂの供給は、培養原液タンク４４（４４ａ，４４ｂ）と培養液貯留タンク２０との高低差を利用して供給することができる他、当該培養液貯留タンク２０を密閉構造として、その内部圧力を低下させることにより行うことができる。

そして、培養液貯留タンク２０に繋がる主配管２５を液送させるためのポンプ３０の下流側には、前記培養液供給配管１８と循環用配管１６を設けており、循環用配管１６は前記培養液貯留タンク２０に繋がっている。

以上のように構成した養液栽培システムでは、所定量の原水が培養液貯留タンク２０に供給されると、それに応じた培養原液が培養原液供給配管５０からタンク内に供給される。この状態において、当該タンク内では培養原液と原水とは十分に混ざり合っていない事も考えられる。そこで前記ポンプ３０を動作させて培養液貯留タンク２０内の培養液１５を主配管２５から取り出し、これをポンプ３０及び循環用配管１６で十分に撹拌させてから、再び培養液貯留タンク２０内に還流させる。その結果、当該培養液貯留タンク２０内の培養液１５は十分に撹拌され、均等な濃度の培養液１５を植物に供給することができる。

従って、この実施の形態に係る養液栽培システムは、培養液１５の撹拌と培養液１５の供給とを１つのポンプ３０で行う事が可能となり、製造コストを削減するだけでなく、メンテナンス作業を容易にすることができる。

本発明の養液栽培における培養原液供給装置及びこれを用いた養液栽培システムは、溶液培養設備において利用することができる他、溶液培養に限ることなく他の設備、例えば工場や水道施設などにおいて、供給原水に対して薬液などを混入させるために利用する事ができる。

１０ 養液栽培システム
１５ 培養液
１６ 循環用配管
１７ 循環電磁弁
１８ 培養液供給配管
２０ 培養液貯留タンク
２５ 主配管
２７ 原水供給路
３０ ポンプ
３１ コントロール部
４４ 培養原液タンク
５０ 培養原液供給配管

Claims (7)

1. 培養液貯留タンク内に貯留された原水に培養原液を供給して培養液を作製する為の培養液作製装置であって、
   培養液を貯留する培養液貯留タンクと、当該培養液貯留タンク内の培養液を液送すると共に、前記原水に培養原液を供給する、両者共通のポンプとからなり、当該ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられており、
   前記原水に対する培養原液の供給は、培養液貯留タンクを密閉構造にして前記ポンプで培養液を移送することによる培養液貯留タンク内部圧力の低下によって行うことを特徴とする培養液作製装置。
   
2. 培養液貯留タンク内に貯留された原水に培養原液を供給して培養液を作製する為の培養液作製装置であって、
   培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプと、当該ポンプと前記培養液貯留タンクとの間に設けられた主配管に接続された培養原液供給配管とからなり、
   前記ポンプの下流側には、植物に培養液を供給する培養液供給配管と、前記培養液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられていることを特徴とする培養液作製装置。
   
3. 前記主配管および培養原液供給配管の少なくとも何れかには配管内の流量を規制するバルブが設けられている、請求項２に記載の培養液作製装置。
   
4. 前記培養原液供給配管の上流側は、培養原液が貯留された培養原液タンクに接続されており、当該培養原液タンク内の培養原液は、前記培養液貯留タンク内の培養液を液送するポンプによって吸引される、請求項２又は３に記載の培養液作製装置。
   
5. 前記培養原液タンクは２つ以上設けられており、前記培養液供給配管は夫々の培養原液タンクに接続されると共に、それぞれの培養液供給配管が前記主配管における異なる場所に接続されている請求項４に記載の培養液作製装置。
   
6. 養液栽培において植物に培養液を供給する養液栽培システムであって、
   培養液貯留タンク内に前記培養液を作製する培養液作製装部と、
   作製された培養液貯留タンク内の培養液を植物に供給する培養原液給液部とからなり、
   当該培養原液供給部として、請求項１～５の何れか一項に記載の培養原液供給装置が使用されている、養液栽培システム。
   
7. 施設又は設備に供給される原水に薬液等の液体成分を供給して溶液を作製する為の溶液作製装置であって、
   液体成分を混入した溶液を貯留する溶液貯留タンクと、当該溶液貯留タンク内の溶液を液送すると共に、前記原水に前記液体成分を供給する、両者共通のポンプとからなり、
   当該ポンプの下流側には、施設又は設備に溶液を供給する溶液供給配管と、前記溶液貯留タンクに戻す循環用配管とが設けられており、
   前記原水に対する液体成分の供給は、溶液貯留タンクを密閉構造にして前記ポンプで溶液を移送することによる溶液貯留タンク内部圧力の低下によって行うことを特徴とする溶液作製装置。