WO2020049640A1

WO2020049640A1 - 植物栽培装置

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Publication number: WO2020049640A1
Application number: PCT/JP2018/032820
Authority: WO
Inventors: 啓一中島
Original assignee: ネイチャーダイン株式会社
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2020-03-12
Also published as: PH22019550004Y1; PH22019550004U1

Abstract

植物栽培装置（５０）では、栽培槽（２０）と、太陽熱で動作するポンプ（４０）との間で栽培水（Ｃｗ）が循環する。シンク（２０）は支持器（２７）の下部を取り囲む。ポンプ（４０）は水槽（３０）と、集熱部（４５）と、逆止弁（４１，４２）を備える灌水路（３６）及び回収路（３３）とで構築されている。水槽（３０）と集熱部（４５）とは気密された一つながりの空気貯留部を形成している。集熱部（４５）は空気槽（４４）を有する。灌水路（３６）が水槽（３０）から培地材（Ｐｓ）に対してその上方から栽培水（Ｃｗ）を供給する。回収路（３３）はシンク（２０）に接続される。ノズル（１６）により支持器（２７）の下部にバブル（Ｂｂ）が供給される。培地材（Ｐｓ）の下部より培地材（Ｐｓ）に対してバブル（Ｂｂ）を構成していた空気が供給される。

Description

植物栽培装置

　本発明は植物栽培装置に関する。

　特許文献１には太陽熱で動作するポンプを備えた植物栽培装置が開示されている。このポンプは日照時に水を栽培槽に供給するとともに、日照が減少した時に栽培槽から水を回収することに特徴がある。

国際公開第２０１６／１８５６４６号

　本発明は太陽熱で動作する上記ポンプを備えた植物栽培装置において、栽培槽の温度を調整するのに適した改善手段を提供する。

＜１＞　植物を生育するための栽培槽と、太陽熱で動作するポンプとの間で栽培水が循環する植物栽培装置であって：
　前記栽培槽は培地材の支持器と、前記支持器から排出される栽培水を受け取るシンクとを有し、ここで前記培地材は前記支持器の上部に配置され、また前記シンクは前記支持器の下部を取り囲むように前記支持器の下方に配置され；
　前記ポンプは水槽と、前記水槽に接続する集熱部と、前記水槽に接続されるとともに各々逆止弁を備える灌水路及び回収路とで構築されており、
　　前記集熱部は前記水槽の上部に連通する空気槽を有し、ここで前記水槽の内腔の上部及び前記空気槽の内腔は一つながりの空気貯留部を形成するとともに、前記水槽の内腔の下部には栽培水が蓄えられ、
　　前記灌水路が前記水槽から前記培地材に対してその上方から栽培水を供給するように、前記灌水路の末端の前記栽培槽に対する位置が定められており、
　　前記回収路が前記シンクから前記水槽に向かって栽培水を吸引するように、前記回収路は前記シンクに接続され；
　さらに前記シンク内に配置されるノズルを有するバブル発生装置を備え、
　前記ノズルにより前記支持器の前記下部にバブルが供給されると、前記バブルが前記支持器から排出される栽培水に逆行するとともに、前記培地材の下部より前記培地材に対して前記バブルを構成していた空気が供給される；
　植物栽培装置。

＜２＞　前記支持器の下部は
　　下方に向かって狭くなる断面形状を有する絞り部と、
　　下方に向かって広くなる断面形状を有する吐出部と、
　　前記絞り部及び前記吐出部の間に設けられたくびれ部と、
　を有し、
　前記排出される栽培水は、前記支持器の前記上部の絞り部により前記くびれ部に向かって集められるとともに、前記くびれ部を経由して前記下部より前記シンクに向かって排出され、
　前記バブルは前記吐出部の形状により捕捉されるとともに前記くびれ部に向かって集められ、さらに前記バブルが前記排出される栽培水に逆行しつつ前記くびれ部を通り抜けることで、前記バブルを構成する空気が前記培地材の下面より前記培地材に対して供給される、
　＜１＞に記載の植物栽培装置。

＜３＞　前記ノズルにメッシュ又は多孔質材が取り付けられおり、
　前記ノズルに空気を送ることで前記バブルが前記シンク内の栽培水に放出される、
　＜２＞に記載の植物栽培装置。

＜４＞　前記バブル発生装置は冷却器を有するとともに、空気を前記冷却器によって冷却してから前記ノズルに送る、
　＜３＞に記載の植物栽培装置。

＜５＞　前記バブル発生装置は加熱器を有するとともに、空気を前記加熱器によって加熱してから前記ノズルに送る、
　＜３＞に記載の植物栽培装置。

＜６＞　前記ポンプの前記水槽は外気に接していることから、前記水槽内の栽培水は外気温に応じて温度が変化し、
　前記灌水路の末端が前記水槽の底部に配置されていることから、前記水槽内に蓄えられた前記栽培水の深部から順に前記栽培水が供給され、
　前記水槽に対する前記灌水路の接続位置よりも高い位置において前記回収路が前記水槽に接続されていることから、前記水槽内に蓄えられた前記栽培水の浅部に対して前記シンクから吸引された前記栽培水が流れ込む、
　＜１＞に記載の植物栽培装置。

＜７＞　前記水槽内に蓄えられた栽培水の水面が、前記水槽に対する前記回収路の接続位置よりも低いことで、前記シンクから吸引された栽培水が前記水槽内に蓄えられた栽培水の水面に向かって流れ込む、
　＜６＞に記載の植物栽培装置。

＜８＞　前記灌水路は分岐した管であり、
　一つの栽培槽に対して、前記分岐した管の各先端が平面的に分散配置されている、
　＜１＞に記載の植物栽培装置。

＜９＞　＜１＞に記載の植物栽培装置の使用であって、
　前記集熱部に対して日周運動する太陽の光が当たるように前記植物栽培装置を設置し、
　前記支持器の前記上部に前記培地材を設置し、
　前記水槽及び前記栽培槽の少なくともいずれかに予め栽培水を注入し、
　前記バブルを前記支持器に供給することで、前記バブルを構成していた空気により、前記培地材の中の栽培水を気化させる、
　使用。

＜１０＞　前記集熱部は日照を受けて前記空気槽内で暖められた空気の圧力で前記水槽内の水面を押し、
　前記水槽は前記空気によって押された前記栽培水を、前記灌水路を通じて前記培地材の上方に供給し、
　前記集熱部は暖められた空気が日照の減少により冷やされることで前記水槽内の前記水面を引き上げ、
　前記水槽は前記栽培水の引き上げに応じて前記栽培水を、前記回収路を通じて前記シンクから吸引する、
　＜９＞に記載の使用。

＜１１＞　＜１＞に記載の植物栽培装置が上下方向に２層以上配置された栽培設備であって、
　上層の植物栽培装置が網棚に載せられていることで、前記網棚を通して下層の植物栽培装置に太陽光が届くようになっている、
　栽培設備。

＜１２＞　前記下層の植物栽培装置の周囲に上向きの外部反射板が設置されており、前記外部反射板は前記上層の植物栽培装置に向かって太陽光を集め、さらに
　前記上層の植物栽培装置の下であって、前記外部反射板よりも高い位置に下向きの内部反射板が設置されており、前記集められた太陽光を前記内部反射板が前記下層の植物栽培装置に届ける、
　＜１１＞に記載の栽培設備。

　本発明は、上述の植物栽培装置において、栽培槽の温度を調整するのに適した改善手段を提供できる。

植物栽培装置の流路図。日照時の動作図。日照の減少時の動作図。支持器の断面図１。支持器の断面図２。栽培設備の斜視図。太陽光の光路図。灌水路の斜視図。

＜植物栽培装置の基本構造＞

　図１には植物栽培装置である装置５０が示されている。装置５０は栽培槽２０とポンプ４０とを備える。栽培槽２０にて植物Ｐｌを生育する。栽培槽２０とポンプ４０と間で栽培水Ｃｗが循環する。ポンプ４０は太陽光を受ける。ポンプ４０は太陽熱で動作する。

　本明細書において「栽培水」の用語には所望のイオン、ミネラル及びその他養分を添加した水であって、植物の生育に適するものが含まれる。本明細書において「栽培水」の用語にはこれらの養分を添加していない水が包含される。以下、本明細書においては特に言及しない限り、栽培水を単に「水」と表記する場合がある。

　図１において栽培槽２０は上面開口２１を有する胴体２３及びシンク２２を有する。栽培槽２０はさらに支持器２７を有する。支持器２７は胴体２３の内側に配置される。栽培槽２０は胴体２３及びシンク２２からなる本体と支持器２７との二層構造となっている。

　図１において支持器２７は植物Ｐｌの栽培のための培養土Ｐｓを支持する。培養土Ｐｓは支持器２７の上部に配置されている。培養土Ｐｓはスポンジなどの他の浸透性素材に置き換えてもよい。本明細書では培養土Ｐｓとその他の浸透性素材を総称して培地材という。本実施形態では培地材として培養土Ｐｓを選んでいる。

　図１において培養土Ｐｓから流れ出す栽培水Ｃｗは支持器２７の下部を通じて排出される。シンク２２は支持器２７の下部を取り囲むように支持器２７の下方に配置されている。シンク２２は支持器２７から排出される栽培水Ｃｗを受け取る。

　図１において栽培槽２０においてシンク２２は栽培水Ｃｗを下側から保持する。シンク２２は栽培水Ｃｗを溜め込む。栽培水Ｃｗの水位がシンク２２の部分を超えていても、胴体２３によって栽培水Ｃｗが側方から保持されていればよい。シンク２２及び胴体２３の境目は特に限定されない。

　図１においてポンプ４０は水槽３０と集熱部４５とを有する。ポンプ４０はさらに回収路３３を有する。回収路３３は逆止弁４１を有する。ポンプ４０はさらに灌水路３６を有する。灌水路３６は逆止弁４２を有する。ポンプ４０はこれらの部材で構築されている。

　図１において集熱部４５は空気槽４４及び集熱体４７を有する。集熱体４７は黒色の板でもよい。集熱体４７は空気槽４４の内腔４６に位置する。空気槽４４の一部又は全部は透明である。このため太陽光が集熱体４７に届く。集熱体４７は空気槽４４と一体に成形してもよい。一態様として例えば空気槽４４の内表面が集熱体４７として機能してもよい。この時、空気槽４４の内表面の一部を黒くする。他の態様として空気槽４４の外表面が集熱体４７として機能してもよい。この時、空気槽４４の外表面を黒くする。

　図１において集熱部４５は水槽３０に接続する。水槽３０と集熱部４５とは囲まれた一つながりの空気貯留部を形成している。より具体的には水槽３０の内腔の上部と集熱部４５の内腔４６と内腔４６にある栽培水Ｃｗの水面とが気密された一つながりの空気貯留部を形成する。

　図１において気密された水槽３０は単なる水槽ではなく、ポンプ４０の動作に不可欠な構造物である。水槽３０はポンプボトルとも呼ばれる。水槽３０に気密栓３２を設けて内腔３１と外部とのアクセスを確保してもよい。例えば気密栓３２を開けて栽培水Ｃｗを内腔３１に注入してもよい。

　図１において気密された水槽３０の内腔３１の上部と空気槽４４の内腔４６とは送気管４８を介して連通している。内腔３１の下部には栽培水Ｃｗが蓄えられる。なお内腔３１と内腔４６とは送気管４８を介さずに繋がっていてもよい。例えば内腔３１と内腔４６とは一塊の空気貯留部になっていてもよい。

　図１において回収路３３は引水管３４ａ及び３４ｂを有する。引水管３４ａの末端３５ａは内腔３１と接続されている。引水管３４ａの他方の末端は逆止弁４１と接続されている。逆止弁４１は引水管３４ａと引水管３４ｂとの間に設けられている。

　図１において逆止弁４１は栽培槽２０から水槽３０に吸引される栽培水Ｃｗの逆流を防止する。逆止弁４１は栽培水Ｃｗが回収路３３を流れていないときに水槽３０の密閉状態を保つ。逆止弁４１が内腔３１に配置されていれば、あるいは水槽３０に対して直に取り付けられていれば引水管３４ａは無くともよい。逆止弁４１の形式は特に制限されない。逆止弁４１はダックビル型でもよい。

　図１において灌水路３６は送水管３７a及び送水路３７ｂを有する。送水管３７ａの末端３８ａは内腔３１と接続されている。送水管３７ａの他方の末端は逆止弁４２と接続されている。逆止弁４２は送水管３７aと送水路３７ｂとの間に設けられている。

　図１において逆止弁４２は水槽３０から栽培槽２０に供給される栽培水Ｃｗの逆流を防止する。逆止弁４２は栽培水Ｃｗが灌水路３６を流れていないときに水槽３０の密閉状態を保つ。逆止弁４２が内腔３１に配置されていれば、あるいは水槽３０に対して直に取り付けられていれば送水管３７ａは無くともよい。逆止弁４２の形式は特に制限されない。逆止弁４２はダックビル型でもよい。

　図１において水槽３０は気密されている。水槽３０は引水管３４ａ及び送水管３７ａと接続されている。水槽３０の気密を保つために、水槽３０は逆止弁４１及び４２を各々備える灌水路３６及び回収路３３と接続されている。このためポンプ４０がポンプとして動作する。ポンプ４０はシンク２２から栽培水Ｃｗを吸うとともに、培養土Ｐｓの上方に栽培水Ｃｗを吐き出す。

　図１において送水路３７ｂは水槽３０から培養土Ｐｓに対してその上方から栽培水Ｃｗを供給するように配置される。図中では送水路３７ｂの有する末端３８ｂは、栽培槽２０の上面開口２１の上方に配置されている。末端３８ｂを栽培槽２０の内腔に導いてもよい。送水路３７ｂの有する他方の端は逆止弁４２に接続されている。送水路３７ｂは水槽３０の密閉に関与しないので管でなくともよい。送水路３７ｂは樋でもよい。

　図１において引水管３４ｂの有する末端３５ｂはシンク２２に接続される。引水管３４ｂの有する他方の端は逆止弁４１に接続されている。引水管３４ｂはシンク２２から水槽３０に向かって栽培水Ｃｗを吸引する。

＜バブル発生装置の構成＞

　図１において装置５０はバブル発生装置１５を有する。バブル発生装置１５はノズル１６を備える。ノズル１６はシンク２２内に配置される。ノズル１６は支持器２７の下方に配置される。ノズル１６は発泡ノズルである。ノズル１６にはメッシュ又は多孔質材が取り付けられている。バブル発生装置１５は管１７及びガス注入器１８を有する。ガス注入器１８は管１７を通じてノズル１６に対して空気を送る。ノズル１６はバブルＢｂを発生する。バブルＢｂはシンク２２内の栽培水Ｃｗ中に放出される。

　図１においてノズル１６により支持器２７の下部にバブルが供給される。バブルＢｂが支持器２７より排出される栽培水Ｃｗに逆行して上昇する。支持器２７の下部より培養土Ｐｓに対してバブルＢｂを構成していた空気が供給される。空気に任意の気体を添加してもよい。

　図１に示すように、バブル発生装置１５に冷却器１９を付加してもよい。バブル発生装置１５は冷却器１９で空気を冷却してから、これをノズル１６に送る。冷却器１９は冷房装置でもよい。他の態様において冷却器１９は加熱器に置き換えてもよい。バブル発生装置１５は加熱器で空気を加熱してから、これをノズル１６に送る。他の態様において冷却器１９は冷却及び加熱の両方の機能を有する温度制御器で置き換えてもよい。

＜植物栽培装置の使用＞

　図２及び図３には植物Ｐｌの栽培のための、装置５０の使用方法が示されている。図２において装置５０を設置したら支持器２７の上部に培養土Ｐｓを設置する。培養土Ｐｓに植物の株、苗、挿し穂、及び球根並びにその他の植物組織のいずれかを植える。培養土Ｐｓに予め植物Ｐｌの種子を埋め込んでおいてもよい。

　図２において水槽３０及び栽培槽２０の少なくともいずれかに栽培水Ｃｗを注入する。気密栓３２を開けて内腔３１に栽培水Ｃｗを注入してもよい。栽培槽２０の上面開口２１より栽培水Ｃｗを注入してもよい。

　図２おいて装置５０を設置する際は、集熱部４５に対して日周運動する太陽の光が当たるようにする。集熱部４５は太陽光を受けて空気槽４４の中で暖められた空気の圧力で水槽３０内の水面を押す。空気の圧力は次のように発生する。

　図２において集熱体４７がその集熱面で受けた熱エネルギーを内腔４６にある空気に受け渡す。内腔４６にある空気は温度が上昇する。空気槽４４内外の気圧差によって著しい変形をしない程度に空気槽４４は強固である。したがって内腔４６の体積は著しく変化しない。このため内腔４６の気圧が上昇する。内腔４６の気圧は日照を受ける前より高まる。

　図２に示す通り水槽３０の内腔３１には栽培水Ｃｗが注入されている。内腔４６の気圧上昇は送気管４８を通じて内腔３１に伝搬する。内腔３１では栽培水Ｃｗの水面を押し下げようとする圧力が作用する。集熱部４５により押された栽培水Ｃｗの水圧は水槽３０から送水管３７ａに伝わる。送水管３７ａ内の水圧が送水路３７ｂ内の水圧を上回る。

　図２において送水管３７ａと送水路３７ｂとの間の水圧差により逆止弁４２が開く。栽培水Ｃｗは灌水路３６を通じて水槽３０から栽培槽２０の上面開口２１に向かって流れる。以上により水槽３０は内腔３１の栽培水Ｃｗを栽培槽２０の上部に供給する。

　図２においてポンプ４０は日照が増大したときに植物Ｐｌに栽培水Ｃｗを与える。したがって日照時において植物Ｐｌは日照を受けながら活発に蒸散することができる。

　図２において内腔３１の栽培水Ｃｗの水圧上昇はパスカルの原理に従い引水管３４ａにも伝わる。栽培水Ｃｗは引水管３４ａ及び３４ｂを通じて、水槽３０から栽培槽２０のシンク２２に向かって流れようとする。この水流は逆止弁４１がせき止める。逆止弁４１により水槽３０の密閉が保たれる。

　図２において栽培水Ｃｗの供給により内腔３１の栽培水Ｃｗは減少する。結果として内腔３１及び内腔４６に気密された空気が膨張する。膨張に伴い、いずれかの時点で内腔３１及び内腔４６の気圧は大気圧と平衡する。圧力の平衡により灌水路３６を流れる水流が止まる。やがて日照は減少を始める。日照の減少の要因は日が落ちることと、日照が雲で陰ることである。

　図３において集熱部４５は水槽３０内の栽培水Ｃｗの水面を引き上げる。これは内腔４６の暖められた空気が日照の減少により冷やされることで以下の通り行われる。

　図３において熱を外界に放射することで集熱体４７の温度が低下する。集熱体４７は内腔４６にある空気から熱エネルギーを奪う。内腔４６の空気の温度が低下する。空気槽４４内外の気圧差によって著しい変形をしない程度に空気槽４４は強固である。したがって内腔４６の体積は著しく変化しない。このため内腔４６の気圧が低下する。内腔４６の気圧は日照が減少する前よりも低下する。

　図３において内腔４６の気圧低下は送気管４８を通じて水槽３０の内腔３１に伝搬する。内腔３１では栽培水Ｃｗの水面を引き上げようとする圧力が発生する。集熱部４５により引かれた栽培水Ｃｗの水圧は水槽３０から引水管３４ａに伝わる。引水管３４ａ内の水圧が引水管３４ｂ内の水圧を下回る。

　図３において引水管３４ａと引水管３４ｂとの間の水圧差により逆止弁４２が開く。栽培水Ｃｗは回収路３３を通じて栽培槽２０のシンク２２から水槽３０に向かって流れる。以上により水槽３０は内腔３１の栽培水Ｃｗの引き上げに応じてシンク２２中の栽培水Ｃｗを吸引する。

　図３においてシンク２２中の栽培水Ｃｗの水位に留意する。シンク２２中で回収路３３の末端３５ｂが栽培水Ｃｗに接していなければならない。さもなければポンプ４０は栽培水Ｃｗではなく空気を吸引することになる。装置５０内には栽培水Ｃｗの水位を保つための十分な栽培水Ｃｗを導入する。末端３５ｂがシンク２２の内部底面や内部底面の外縁に接続していてもよい。

　図３においてポンプ４０は日照が減少したときにシンク２２から水を吸い取る。培養土Ｐｓにしみ込んだ栽培水は重力及び毛細管現象によりシンク２２に向かって移動するとともに支持器２７から排出される。日照の無い時や少ないときにおいて植物Ｐｌは蒸散を活発にしない。これに合わせて植物Ｐｌに必要のない水をポンプ４０が回収する。

　図３において内腔３１の栽培水Ｃｗの水圧低下はパスカルの原理に従い送水管３７ａにも伝わる。栽培水Ｃｗは送水路３７ｂから送水管３７ａを通じて水槽３０に戻ろうとする。しかしながらこの水流は逆止弁４２がせき止める。さらに末端３８ｂから装置５０外の空気が水槽３０に向かって入り込むことが防止される。このように逆止弁４２により水槽３０の密閉が保たれる。

　図３において栽培水Ｃｗの吸引により内腔３１の栽培水Ｃｗは増加する。内腔３１及び内腔４６に気密された空気が収縮する。収縮に伴い、いずれかの時点で内腔３１及び内腔４６の気圧は大気圧と平衡する。回収路３３を流れる水流が止まる。装置５０は次の日照の増大を待つ。日照の増大の要因は日が昇ることと、雲で陰っていた日が再び射すことである。

　図２及び図３においてポンプ４０の動作は太陽の日周運動、すなわち昼と夜の変化に依存する。ポンプ４０は昼間に栽培水Ｃｗを栽培槽２０に送り、夜間に栽培槽２０から水を吸引する。ポンプ４０は日周運動をするポンプである。ポンプ４０の動作はさらに日照を遮る雲の有無にも依存する。

＜バブル発生装置の使用＞

　図２に戻る。日照時においてバブルＢｂがシンク２２に供給される。バブルＢｂは支持器２７の下部から支持器２７の内部に進入する。バブルＢｂを構成する空気は培養土Ｐｓ内に進入する。培養土Ｐｓ内には空気が豊富に含まれるようになる。

　図２において豊富な空気により培養土Ｐｓ内の水は気化しやすくなる。培養土Ｐｓ内の水が気化する時、その水が培養土Ｐｓより気化熱を奪う。気化した水、すなわち水蒸気は培養土Ｐｓの表面から外気に向かって逃げていく。結果として栽培槽２０の内部は冷やされる。栽培槽２０の内部の熱は外気に逃がすことができる。このようにして栽培槽２０の温度を調整できる。

　一態様において図２に示す冷却器１９で予めバブルＢｂを構成する空気を冷やしておいてもよい。バブルＢｂの温度を下げることで、栽培槽２０の内部の冷却をさらに促進できる。これにより外気温が高くても植物Ｐｌの生育に適した温度環境を提供できる。かかる方法では栽培槽２０のみを冷却する。したがって装置５０の全体を冷却するよりも効率的である。なお図２に示す日照中のみならず、図３に示す夜間も冷却を継続してもよい。このようにして栽培槽２０の温度を調整できる。

　一態様において図３に示す冷却器１９を加熱器に置き換えることで、予めバブルＢｂを構成する空気を暖めておいてもよい。バブルＢｂの温度を上げることで、気化熱による栽培槽２０の冷却を弱めることができる。また培養土Ｐｓから気化熱を奪った後の空気が植物Ｐｌの周囲を強く暖めることができる。これにより外気温が低くても植物Ｐｌの生育に適した温度環境を提供できる。なお図２に示す夜間のみならず、図２に示す日照中も加熱を継続してもよい。このようにして栽培槽２０の温度を調整できる。

　図２においてバブルＢｂの一部は支持器２７の内部に入らない。このようなバブルはシンク２２に蓄えられた栽培水Ｃｗを対流させる。図中ではシンク２２のさらに上方にまで蓄えられた栽培水Ｃｗを対流させている。

　図２においてバブルＢｂを構成していた空気から培養土Ｐｓ中の水に対して酸素が溶け込む。酸素の豊富な水により好気性の微生物の働きが活発になる。培養土Ｐｓ中では微生物により水の浄化が活発に行われる。したがって植物Ｐｌにとって望ましい生育環境が得られる。

　図３に示すように、日照が無い時又は日照が減少した時においてもバブルＢｂがシンク２２に供給される。バブルＢｂは支持器２７の下部から支持器２７の内部に進入する。バブルＢｂを構成する空気は培養土Ｐｓ内に進入する。培養土Ｐｓ内には空気が豊富に含まれるようになる。水の気化を促進することで栽培槽２０を冷やす効果を得られる。栽培水Ｃｗを対流させる効果や、培養土Ｐｓ中での水の浄化の効果も同様に得られる。

　図２及び図３においてポンプ４０の動作に伴い。水槽３０と栽培槽２０との間を栽培水Ｃｗが循環する。栽培水Ｃｗが循環することで栽培水Ｃｗは培養土Ｐｓを定期的に通過する。培養土Ｐｓ中の微生物及びバブルＢｂの作用により栽培水Ｃｗは定期的に浄化される。

　図３において内腔３１に蓄えられる栽培水Ｃｗの水面が、水槽３０に対する引水管３４ａの接続位置（末端３５ａ）よりも下に位置していることが好ましい。この時、シンク２２から吸引された前記栽培水Ｃｗが前記栽培水Ｃｗの水面に向かって流れ込む。この時、水槽３０の内腔と集熱部４５の内腔４６と内腔４６にある栽培水Ｃｗの水面とに加えて、末端３５ａにより気密された一つながりの空気貯留部を形成する。

　図２において、さらに末端３８ａが水槽３０の底部に配置されることが好ましい。かかる構成により内腔３１に蓄えられる栽培水Ｃｗの大部分が栽培槽２０に送られる。言い換えれば内腔３１の上層又は下層に溜まり続ける栽培水Ｃｗの発生を防ぐことができる。結果として装置５０内の栽培水Ｃｗの全体が上記循環に組み込まれる。

　図２及び図３において栽培の途中に水槽３０及び栽培槽２０の少なくともいずれかに対して栽培水Ｃｗを補充してもよい。注入方法は栽培の準備のために栽培水Ｃｗを注入したときの方法に従う。このように栽培水Ｃｗを注入することで、バブルＢｂによって気化して失われる栽培水Ｃｗを補ってもよい。また植物Ｐｌの蒸散によって失われる栽培水Ｃｗを補ってもよい。水槽３０に補水器を取り付けて自動的に栽培水Ｃｗを補充してもよい。補充後に前栽培槽２０とポンプ３０との間の栽培水の循環を再開する。

＜支持器の構造＞

　図４には支持器２７の断面形状が示されている。図１に表現されたポンプ４０及びバブル発生装置１５は本図中で簡略に描かれている。支持器２７の上部は胴部２８ａからなる。胴部２８ａの内腔面の断面形状は胴部２８ａの上下方向に一定幅となっている。胴部２８ａの内腔面は筒状でもよい。

　図４において支持器２７の下部は絞り部２８ｂ、吐出部２８ｃ及びくびれ部２８ｄを有する。胴部２８ａの下方に絞り部２８ｂが接続している。絞り部２８ｂの内腔面は下方に向かって狭くなる断面形状を有する。絞り部２８ｂの内腔面は漏斗状でもよい。培養土Ｐｓの側面を胴部２８ａの内腔面が支える。培養土Ｐｓの下面を絞り部２８ｂの内腔面が支える。

　図４において支持器２７の最下部は吐出部２８ｃとなっている。吐出部２８ｃの内腔面の断面形状は下方に向かって広くなる形状を有する。吐出部２８ｃの内腔面は逆向きの漏斗状でもよい。

　図４においてくびれ部２８ｄは絞り部２８ｂ及び吐出部２８ｃの間に設けられている。絞り部２８ｂと吐出部２８ｃとの間は、くびれ部２８ｄとなっている。くびれ部２８ｄの内腔面はいわゆる砂時計形状あるいは空中ゴマ（Diabolo）形状となっていてもよい。

　図４において吐出部２８ｃは吐出部２８ｅに置き換えてもよい。吐出部２８ｅの内腔面の断面形状は上下方向に一定幅となっている。吐出部２８ｅの内腔面は筒状でもよい。吐出部２８ｅの内腔面とくびれ部２８ｄの内腔面とは一つながりの筒状でもよい。

　図４において絞り部２８ｂの水平断面の大きさは上から下に向かって徐々に小さくなる。絞り部２８ｂの下端では水平断面の面積当たりの流量が大きくなっている。このため、培養土Ｐｓへの給水量が少ない場合でも、培養土Ｐｓの下層で栽培水が流れ続ける。このように栽培水が滞留しない構造により、培養土Ｐｓ中での溶存酸素の消費による溶存酸素の欠乏を抑制することができる。

　図４において支持器２７から排出される栽培水Ｃｗの流れが黒い矢印で表されている。栽培水Ｃｗは支持器２７の絞り部２８ｂの断面形状により、くびれ部２８ｄに向かって集められる。さらに栽培水Ｃｗはくびれ部２８ｄを経由して吐出部２８ｅに向かう。図中では栽培水Ｃｗは上から下にくびれ部２８ｄを通り抜ける。さらに栽培水Ｃｗは吐出部２８ｅより排出される。

　図４においてバブルＢｂは吐出部２８ｃの形状により捕捉される。バブルＢｂはくびれ部２８ｄに向かって集められる。バブルＢｂは排出される栽培水Ｃｗに対して逆行する。バブルＢｂはくびれ部２８ｄを通り抜ける。図中ではバブルＢｂは下から上に通り抜ける。培養土Ｐｓの下面より、バブルＢｂが培養土Ｐｓに対して供給される。

　図５は支持器の参考例を示す。図５に示す装置４９は装置５０と以下の点で異なる。装置４９は図１に示すような支持器２７に代えて、支持器５２を有する。支持器５２は平坦な底部５３を有する。底部５３は格子状のフィルターとなっている。培養土Ｐｓを底部５３が下から支えている。

　図５において培養土Ｐｓの下層には供給される栽培水が順次積み重なっていく。底部５３の水平断面の面積当たりの流量は比較的に小さい。これは培養土Ｐｓの下層にて水が滞留しやすいことを意味する。培養土Ｐｓ中での溶存酸素の消費による溶存酸素の欠乏が起こりやすくなっている。

　図５においてバブルＢｂが培養土Ｐｓに供給されることで、培養土Ｐｓ中の溶存酸素を補充できる。しかしながら植物の栽培にとってより好ましい環境を作るには、図４に示すような水の滞留を防止する形状が支持器に対して付与されていることがより好ましい。

＜水槽の設置環境の利用＞

　一態様において、図３に示す水槽３０は、その外表面が夜間の外気に接するように構成されている。昼夜の外気温の差を考慮した場合、夜間の外気は内腔３１の栽培水Ｃｗよりも低い温度を有している。夜間において栽培水Ｃｗは外側より順に冷却される。栽培水Ｃｗ全体の温度が外気温と平衡するには時間がかかる。栽培水Ｃｗの対流は不十分なものとなるため冷めた栽培水Ｃｗは密度が大きいので下方に向かい、冷めきってない栽培水Ｃｗは密度が小さいので上方に向かう。内腔３１には温度勾配Ｔｇが生じる。図中の温度勾配Ｔｇは上方が高温、下方が低温となることを表している。

　図２に戻る。日照により外気温が上昇する。昼間の外気は内腔３１の栽培水Ｃｗよりも高い温度を有している。内腔３１の栽培水Ｃｗは外側より順に加熱される。温まった栽培水Ｃｗは密度が小さいので上方に向かう。温まった栽培水Ｃｗは密度が小さいので上方に向かう。温まっていない栽培水Ｃｗは下方に向かう。したがって図３において日が沈むころには温度勾配Ｔｇがさらに大きなものとなっている。

　図２に示すようにポンプ４０の動作に十分な日照の得られる場所では、昼夜の外気温の差が大きくなりやすい。したがって、内腔３１の栽培水Ｃｗにおける温度勾配Ｔｇが大きくなりやすい。

　図２において、灌水路３６を構成する送水管３７ａの末端３８ａは水槽３０の底部に配置されている。したがって内腔３１に蓄えられた栽培水Ｃｗの深部から順に栽培水Ｃｗが供給される。

　図３に示すように、水槽３０に対する灌水路３６の接続位置、すなわち末端３８ａよりも高い位置において、引水管３４ａの末端３５ａが水槽３０に接続されている。したがって内腔３１に蓄えられた栽培水Ｃｗの浅部に対して、シンク２２から吸引された栽培水Ｃｗが流れ込む。図中では末端３５ａから栽培水Ｃｗの水面に向かって、シンク２２にあった栽培水Ｃｗが供給される。

　上記構成により、図２において温度勾配Ｔｇを有効活用することができる。すなわち、より深部にあって低い温度を有している栽培水Ｃｗを水槽３０から栽培槽２０に供給できる。また栽培槽２０から水槽３０に吸引した栽培水Ｃｗは浅部に送る。これにより栽培水Ｃｗを内腔３１にて時間をかけて冷やすことができる。

＜栽培設備＞

　図６には栽培設備６０が示されている。栽培設備６０はラック６１を備える。ラック６１では装置５０が上下方向に２層以上配置されている。図中では下から順に第１層（1st）、第２層（2nd）及び第３層（3rd）が設けられている。各層に複数の装置５０が配置されている。

　図６において上層の装置５０は網棚６２に載せられている。図中では最上層に当たる第３層の装置５０の上方にも網棚６２が設けられている。図中では最下層にあたる第１層の装置５０も網棚に載せられている。各層の網棚６２を通して下層の装置５０にも日照が届く。このため上層のみならず下層の装置５０もポンプ動作を効率的に行うことができる。

　図６において栽培設備６０は狭小なスペースに設置できる。栽培設備６０を用いることで狭小なスペースに多くの装置５０を設置できる。

　図６において、ラック６１の周囲に複数の外部反射板６５を設置してもよい。図中では第１層と同じ高さに外部反射板６５が上向きに設けられている。外部反射板６５は第２層と同じ高さに設けてもよい。外部反射板６５は鏡でもよい。

　図７には太陽光の光路図が示されている。外部反射板６５は上層の装置５０に向かって太陽光を集める。図中では外部反射板６５が第３層の装置５０に向かって太陽光を集めている。外部反射板６５の傾きを調整することで第２層の装置５０に向かって太陽光を集めることもできる。

　図７において、上層の装置５０の下に内部反射板６６が設置されている。内部反射板６６は鏡でもよい。図中では第２層及び第３層の装置５０の直下に内部反射板６６が設置されている。内部反射板６６は上層の網棚６２の下面に固定してもよい。

　図７において、内部反射板６６は外部反射板６５よりも高い位置に下向きに設置される。上記の通り外部反射板６５により集められた太陽光を内部反射板６６が下層の装置５０に届ける。本光路図においては第３層の装置５０の下に設けられた内部反射板６６が第２層の装置５０に太陽光を届けている。

　図７において内部反射板６６は上層の装置５０の下にあるため、各層の網棚６２を透過に太陽光をできるだけ遮らないようになっている。植えられた植物の背の高さに合わせて外部反射板６５や内部反射板６６の傾きを調整することで、植物にも光が届くようにしてもよい。あるいは植物には直接に光が届かないようにしてもよい。

　図７において、外部反射板６５及び内部反射板６６を利用することで、上層にも下層にも太陽光を導くことができる。このため上層のみならず下層の装置５０もポンプ動作を効率的に行うことができる。また各層の内部まで太陽光を導くことができる。このため各層の内部の装置５０もポンプ動作を効率的に行うことができる。

　図６において、ラック６１の設置場所には十分な広さや堅固さが必要である。一方で、各外部反射板６５の設置場所は広さや堅固さを求められない。このため、ラック６１を置くには不十分な空きスペースであっても、これに外部反射板６５を置くことでこれを有効活用できる。なお外部反射板６５の設置位置はラック６１の設置位置に強く依存しない。図７において外部反射板６５の傾きさえ調整すれば、外部反射板６５の位置によらず、内部反射板６６に太陽光を導くことができる。

　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば図１に示す灌水路３６は枝分かれのない一本の管であるが、これを以下の通り変形してもよい。

　図８には灌水路３６が分岐５７を有する管となっている様子を示す。送水路３７ｂは分岐５７に接続されている。分岐５７は支管５８ａ、５８ｂ及び５８ｃに接続されている。送水路３７ｂが枝分かれ管に変形していると解釈してもよい。なお図中では逆止弁や送水管３７ａが省略されている。

　図８において支管５８ａを含む複数の支管の各先端が、一つの栽培槽２０の上部において平面的に分散配置されている。したがって灌水路３６は上面開口２１の各所に均等に栽培水を分配できる。各支管の先端を栽培槽２０の内腔に導いてもよい。

　図８において各支管の先端にスポンジ５５を取り付けることで分岐５７や各支管を常に栽培水で満たしておくことが有効である。いったん分岐５７の内面が乾いてしまうと、各支管への栽培水の分配に偏りが出るためである。

１５　バブル発生装置、１６　ノズル、１７　管、１８　ガス注入器、１９　冷却器、２０　栽培槽、２１　上面開口、２２　シンク、２３　胴体、２７　支持器、２８ａ　胴部、２８ｂ　絞り部、２８ｃ　吐出部、２８ｄ　くびれ部、２８ｅ　吐出部、３０　水槽、３１　内腔、３２　気密栓、３３　回収路、３４ａ－ｂ　引水管、３５ａ－ｂ　末端、３６　灌水路、３７ａ　送水管、３７ｂ　送水路、３８ａ－ｂ　末端、４０　ポンプ、４１　逆止弁、４２　逆止弁、４４　空気槽、４５　集熱部、４６　内腔、４７　集熱体、４８　送気管、４９　装置、５０　装置、５２　支持器、５３　底部、５５　スポンジ、５７　分岐、５８ａ－ｃ　支管、６０　栽培設備、６１　ラック、６２　網棚、６５　外部反射板、６６　内部反射板、Ｂｂ　バブル、Ｃｗ　栽培水、Ｐｌ　植物、Ｐｓ　培養土、Ｔｇ　温度勾配

Claims

　植物を生育するための栽培槽と、太陽熱で動作するポンプとの間で栽培水が循環する植物栽培装置であって：
　前記栽培槽は培地材の支持器と、前記支持器から排出される栽培水を受け取るシンクとを有し、ここで前記培地材は前記支持器の上部に配置され、また前記シンクは前記支持器の下部を取り囲むように前記支持器の下方に配置され；
　前記ポンプは水槽と、前記水槽に接続する集熱部と、前記水槽に接続されるとともに各々逆止弁を備える灌水路及び回収路とで構築されており、
　　前記集熱部は前記水槽の上部に連通する空気槽を有し、ここで前記水槽の内腔の上部及び前記空気槽の内腔は一つながりの空気貯留部を形成するとともに、前記水槽の内腔の下部には栽培水が蓄えられ、
　　前記灌水路が前記水槽から前記培地材に対してその上方から栽培水を供給するように、前記灌水路の末端の前記栽培槽に対する位置が定められており、
　　前記回収路が前記シンクから前記水槽に向かって栽培水を吸引するように、前記回収路は前記シンクに接続され；
　さらに前記シンク内に配置されるノズルを有するバブル発生装置を備え、
　前記ノズルにより前記支持器の前記下部にバブルが供給されると、前記バブルが前記支持器から排出される栽培水に逆行するとともに、前記培地材の下部より前記培地材に対して前記バブルを構成していた空気が供給される；
　植物栽培装置。
　前記支持器の下部は
　　下方に向かって狭くなる断面形状を有する絞り部と、
　　下方に向かって広くなる断面形状を有する吐出部と、
　　前記絞り部及び前記吐出部の間に設けられたくびれ部と、
　を有し、
　前記排出される栽培水は、前記支持器の前記上部の絞り部により前記くびれ部に向かって集められるとともに、前記くびれ部を経由して前記下部より前記シンクに向かって排出され、
　前記バブルは前記吐出部の形状により捕捉されるとともに前記くびれ部に向かって集められ、さらに前記バブルが前記排出される栽培水に逆行しつつ前記くびれ部を通り抜けることで、前記バブルを構成する空気が前記培地材の下面より前記培地材に対して供給される、
　請求項１に記載の植物栽培装置。
　前記ノズルにメッシュ又は多孔質材が取り付けられおり、
　前記ノズルに空気を送ることで前記バブルが前記シンク内の栽培水に放出される、
　請求項２に記載の植物栽培装置。
　前記バブル発生装置は冷却器を有するとともに、空気を前記冷却器によって冷却してから前記ノズルに送る、
　請求項３に記載の植物栽培装置。
　前記バブル発生装置は加熱器を有するとともに、空気を前記加熱器によって加熱してから前記ノズルに送る、
　請求項３に記載の植物栽培装置。
　前記ポンプの前記水槽は外気に接していることから、前記水槽内の栽培水は外気温に応じて温度が変化し、
　前記灌水路の末端が前記水槽の底部に配置されていることから、前記水槽内に蓄えられた前記栽培水の深部から順に前記栽培水が供給され、
　前記水槽に対する前記灌水路の接続位置よりも高い位置において前記回収路が前記水槽に接続されていることから、前記水槽内に蓄えられた前記栽培水の浅部に対して前記シンクから吸引された前記栽培水が流れ込む、
　請求項１に記載の植物栽培装置。
　前記水槽内に蓄えられた栽培水の水面が、前記水槽に対する前記回収路の接続位置よりも低いことで、前記シンクから吸引された栽培水が前記水槽内に蓄えられた栽培水の水面に向かって流れ込む、
　請求項６に記載の植物栽培装置。
　前記灌水路は分岐した管であり、
　一つの栽培槽に対して、前記分岐した管の各先端が平面的に分散配置されている、
　請求項１に記載の植物栽培装置。
　請求項１に記載の植物栽培装置の使用であって、
　前記集熱部に対して日周運動する太陽の光が当たるように前記植物栽培装置を設置し、
　前記支持器の前記上部に前記培地材を設置し、
　前記水槽及び前記栽培槽の少なくともいずれかに予め栽培水を注入し、
　前記バブルを前記支持器に供給することで、前記バブルを構成していた空気により、前記培地材の中の栽培水を気化させる、
　使用。
　前記集熱部は日照を受けて前記空気槽内で暖められた空気の圧力で前記水槽内の水面を押し、
　前記水槽は前記空気によって押された前記栽培水を、前記灌水路を通じて前記培地材の上方に供給し、
　前記集熱部は暖められた前記空気が日照の減少により冷やされることで前記水槽内の前記水面を引き上げ、
　前記水槽は前記栽培水の引き上げに応じて前記栽培水を、前記回収路を通じて前記シンクから吸引する、
　請求項９に記載の使用。
　請求項１に記載の植物栽培装置が上下方向に２層以上配置された栽培設備であって、
　上層の植物栽培装置が網棚に載せられていることで、前記網棚を通して下層の植物栽培装置に太陽光が届くようになっている、
　栽培設備。
　前記下層の植物栽培装置の周囲に上向きの外部反射板が設置されており、前記外部反射板は前記上層の植物栽培装置に向かって太陽光を集め、さらに
　前記上層の植物栽培装置の下であって、前記外部反射板よりも高い位置に下向きの内部反射板が設置されており、前記集められた太陽光を前記内部反射板が前記下層の植物栽培装置に届ける、
　請求項１１に記載の栽培設備。