灌漑システム及びこれに用いる給水器具

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【発明の名称】	灌漑システム及びこれに用いる給水器具
【発明者】	【氏名】谷川寅彦【氏名】矢部勝彦
【要約】	【課題】材料選択の余地が大きく、低コストで構成できる灌漑システム及びこれに用いる給水器具を提供する。【解決手段】本発明は、吸水対象となる土壌に接触するように配置される給水器具１であって、多数の孔隙を有する壁体１１で囲まれ、水が供給される内部空間Ｓを有しており、壁体１１の少なくとも一部の孔隙の壁面が親水性になっている。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水対象となる媒質に接触するように配置される給水器具であって、
多数の孔隙を有する壁体で囲まれ、液体が供給される内部空間を有しており、
前記壁体の少なくとも一部の孔隙の壁面が親水性になっている給水器具。
【請求項２】
前記壁体の内面の少なくとも一部が親水性になっている、請求項１に記載の給水器具。
【請求項３】
前記壁体の少なくとも一部の孔隙の壁面が撥水性になっている、請求項１または２に記載の給水器具。
【請求項４】
前記壁体は可撓性材料によって形成されている、請求項１から３のいずれかに記載の給水器具。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の給水器具と、
当該給水器具における内部空間の圧力を負圧又は低正圧に設定するように液体を供給する液体供給手段と
を備えている、灌漑システム。
【請求項６】
前記給水器具は、液体が供給される供給口及び液体を排出する排出口を有しており、
前記液体供給手段は、前記供給口及び排出口を介して前記内部空間の液体を循環させる、請求項５に記載の灌漑システム。

【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、負圧または低正圧で使用される灌漑システム及びこれに用いる給水器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、農作物などに対する種々の灌漑方法が提案されており、一般的なものとしては、例えばスプリンクラーを用いて散水する方法がある。この方法は、所定時間おき或いは土壌の水分が蒸発したときに散水を行うものであるが、土壌中の水分状態を常時監視する必要があるため、労力が大きくまたコストが高くなるという問題があった。そこで、特許文献１では、次のような灌漑システムを提案している。このシステムでは、土壌中に多孔質管を埋設し、この多孔質管内の水圧が負圧になるように設定している。この構成により、土壌が湿潤状態でないときは、多孔質管の外部がその内部よりも負圧になるため水分を絶えず供給することができる一方、土壌が湿潤状態になり多孔質管内部の負圧に達すれば自動的に水分の供給を停止させることができる。したがって、特殊な装置を用いることなく、低コストで水分供給を自動化することが可能となる。
【特許文献１】特公平３－５６６８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の灌漑システムでは、長期に亘って使用すると、多孔質管の壁面に目詰まりが生じ、給水性能が低下するという問題があった。ここで、定期的に多孔質管を洗浄することも考えられるが、多大な労力を必要とし、実用的ではなかった。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、長期に亘って使用しても、給水器具の目詰まりの発生を防止することができる灌漑システム及びこれに用いる給水器具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る給水器具は、給水対象となる媒体に接触するように配置される給水器具であって、上記問題を解決するためになされたものであり、多数の孔隙を有する壁体で囲まれ、液体が供給される内部空間を有しており、前記壁体の少なくとも一部の孔隙の壁面が親水性になっている。
【０００６】
この構成によれば、孔隙の壁面を親水性としているため、ぬめり等の汚れの付着を防止することができ、孔隙の目詰まりを防ぐことができる。その結果、本発明の給水器具を負圧灌漑、低正圧灌漑のいずれで使用したとしても、高い給水性能を長期に亘って維持することができる。ここで、壁体の内面の少なくとも一部を親水性にすると、内部空間における汚れの付着を防止することができるため、孔隙の目詰まりをさらに効果的に防止することができる。また、壁体の外面を親水性にすることもできる。
【０００７】
また、負圧灌漑で使用する場合には、次のような効果を得ることができる。すなわち、従来の負圧灌漑では、給水器具として透水性能の高い材料しか用いることができず、材料選択の余地が少なかった。これに対して、本発明では、透水性能の低い材料であっても、その孔隙を親水性にすることで空気侵入圧を向上することができるため、負圧灌漑に使用することができる。そのため、従来は使用することができなかった織布、不織布、孔隙を有するプラスチック等の可撓性のある材料を用いて壁体を形成することができ、これによって給水器具の作製が大幅に容易になる。
【０００８】
一方、低正圧でこの給水器具を用いた場合には、親水性処理がなされているため、水との接触性が大きくなり、給水の感度を向上することができる。
【０００９】
また、上記のように可撓性材料を用いることで、農作物の配置等に合わせて給水器具を曲げる等の加工が可能になるとともに、次のような利点がある。すなわち、内部空間の設定圧力が負圧になると、給水器具における内部空間の容積が低下し、これに伴って壁体にシワを生じさせることができる。このようにシワが生ずると孔隙構造が部分的に拡大したり縮小するため、水理学的条件から給水器具全体の給水機能の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、上記給水器具において、壁体の少なくとも一部の孔隙の壁面を撥水性にすると、空気侵入圧が低下するため、給水器具の内部空間に生じる気泡を器具外部へ排出することができる。これにより、給水性能の低下をより確実に防止することができる。
【００１１】
また、本発明に係る灌漑システムは、上記給水器具と、当該給水器具における内部空間の水圧を負圧又は低正圧に設定するように液体を供給する液体供給手段とを備えている。
【００１２】
ここで、給水器具に、液体が供給される供給口及び液体を排出する排出口を形成し、液体供給手段により、供給口及び排出口を介して内部空間の液体を循環させると、汚れの付着をより確実に防止することかできる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、灌漑システム及びこれに用いる給水器具によれば、長期に亘って使用しても、給水器具の目詰まりの発生を防止することができ、これによって高い給水性能を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る灌漑システムの一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る灌漑システムの概略構成を示す側面図である。
【００１５】
図１に示すように、この灌漑システムは、土壌Ｇ中に埋設されて水分を土壌に補給する給水器具１と、この給水器具１に水を供給する給水ユニット（液体供給手段）２とを備えており、給水器具１と給水ユニット２とは、導水管３によって連結されている。
【００１６】
給水器具１は、内部空間Ｓを有する筒状に形成されており、その壁面を構成する壁体１１が多数の孔隙を有する材料で形成されている。また、この給水器具１の壁体１１には、軸方向に沿って所定間隔をおいて並ぶ環状の領域、つまり第１領域１１１と、それ以外の第２領域１１２とが形成されている。本実施形態では、３つの第１領域１１１が形成されており、これらは撥水性となるように形成されている。各第１領域１１１では、壁体１１の内外面、及びその内部、つまり孔隙の壁面が撥水性を有するようになっている。一方、第２領域１１２は、親水性を示すようになっている。この第２領域１１２も第１領域１１１と同様に、壁体の内外面及びその内部が親水性を有するように形成されている。また、給水器具１の軸方向の一端部には導水管３からの水が流入する供給口１２が形成されている。
【００１７】
給水ユニット２は、給水器具１内の水圧を設定するための水位調整タンク２１と、これに水を供給する給水タンク２２とを備えており、これらは管部材２３によって接続されている。水位調整タンク２１は、導水管３を介して給水器具１に供給するための水が収容されており、その水面が給水器具１から下方の所定の高さに設定されるようになっている。具体的には、センサ２１１により水面の高さが検知され、その高さを維持するように、給水タンク２２から水が供給されるように構成されている。このように水位調整タンク２１の水面が給水器具１よりも下方に位置することで、給水器具１における内部空間Ｓの圧力は負圧となっている。ここで、本実施形態では、内部空間Ｓの圧力が例えば０～－３．０ｋＰａとなるように水位調整タンク２１の水位を調整することが好ましい。
【００１８】
次に、上記給水器具１を構成する材料について説明する。まず、壁体１１は上述したように多数の孔隙を有する多孔体、多孔質体等の材料で形成されていればよく、素焼磁器等の保形性を有する材料で形成することができるほか、可撓性のあるプラスチックフィルム、不織布、スポンジなどで形成することができる。なお、ここでいう孔隙とは、微少な間隙、溝の他、網目等も含む。この観点からすると、布などの織物も給水器具を形成する材料として使用することができる。但し、この場合には、フレーム等の支持部材によって壁体を支持することで、壁体が萎むのを防止し、内部空間をある程度確保するようにすることが好ましい。また、孔隙の最大径は、後述する空気侵入圧を考慮すると、円断面換算で、半径約０．１ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
また、壁体１１に親水性の第２領域１１２を形成する方法としては、種々の方法を用いることができるが、例えば、酸化チタンを壁体１１の内外面、及び孔隙内にコーティングしたり、練り混んだりする公知の方法で形成することができる。このようにして、親水性化された壁体１１の空気侵入圧（負圧通気耐圧）は、設定された内部空間Ｓの負圧よりも（絶対値が）大きいことが必要であり、例えば空気侵入圧（負圧通気耐圧）は－０．５ｋＰａより大きいことが好ましく、－３．０ｋＰａより大きいことがさらに好ましく、－５．０ｋＰａより大きいことが特に好ましい。一方、撥水性の第１領域１１１を形成するには、例えば、フッ素コーティング等の公知の方法を使用することができる。なお、上記空気侵入圧は、地盤工学会基準（ＪＧＳ０１５１－２０００）の土の保水性試験方法に準拠した方法等で計測することができる。
【００２０】
続いて、上記のように構成された灌漑システムの動作について説明する。このシステムで内部空間Ｓの圧力を負圧に設定すると、給水器具１の内部空間Ｓが負圧となっているため、給水器具１の外部、つまり土壌Ｇとの間で圧力差が生じる。これにより、給水器具１内の圧力が土壌Ｇ内の圧力よりも大きい場合には、内部空間Ｓの水が孔隙を介して土壌Ｇ中へ滲出し、給水されることとなる。こうして土壌中の湿潤状態が向上していき圧力平衡状態に近づくと、給水器具１内部と土壌内との圧力差が小さくなり、孔隙を通過する水分量も低下する。以上のメカニズムにより、給水の自動化が可能となる。
【００２１】
ここで、本実施形態に係る給水器具１では、孔隙をはじめ、壁体１１の外面に親水性の第２領域を設けているため、土壌Ｇとの水分連続性が向上するとともに接触性能が向上する。したがって、給水器具１内外の水分移動が容易になるので、給水性能が大幅に向上する。さらに、壁体１１の内面に親水性の領域を形成することで、ぬめり等の汚れが付着しにくくなる。その結果、長期間使用しても孔隙の目詰まりを起こしにくく給水性の低下を防止することができる。
【００２２】
さらに、内部空間の圧力を低正圧に設定すると、次のような利点もある。上記給水器具１では、壁体１１の一部の領域を撥水性としているため、この領域における空気侵入圧が低下する。そのため、この領域からは、内部空間Ｓに生ずる気泡を給水器具１の外部へ排除することが可能となる。その結果、内部空間Ｓに気泡が溜まるのを防止することができるため、給水性能の低下を確実に防止することができる。さらに、例えば立ち上がり管、逆止弁等の気泡排出用の部材が不要になるため、コストの低減も可能となる。
【００２３】
また、従来の負圧差を利用した灌漑システムでは、給水器具を構成する材料を空気侵入圧のある程度高いものにする必要があったが、本実施形態に係るシステムでは、空気侵入圧の低い材料であっても、その壁体１１を親水性にすることで空気侵入圧を向上することができる。そのため、材料選択の自由度を大きくすることができ、従来使用することができなかった種々の材料を用いて給水器具１を構成することができる。例えば、不織布や多孔性フィルム等の変形可能な可撓性のある材料を用いることもできる。これにより、農作物等の配置に合わせて給水器具１を曲げる等の加工が可能になるとともに、次のような利点がある。内部空間Ｓの設定圧力が負圧になると、給水器具における内部空間の容積が低下するため、これに伴って壁体にシワが生じる。このようにシワが生ずると孔隙構造が部分的に拡大したり縮小するため、水理学的条件から給水器具全体の給水機能の低下を抑制することができる。
【００２４】
より詳細に説明すると、壁体に、孔隙断面積 S_aをもつ孔隙が分布しているとし、その１つの孔隙断面積をS_aとする。これを円断面であると近似すると、それぞれの半径r_aはS_a=πr_a²とおくことができるので、
【００２５】
【数１】

となる。この条件によるS_aを流れる流量Q_aは、ポアージュの法則から
【００２６】
【数２】

である。
【００２７】
さらに、ここで、断面積S_aの2つの孔隙を流れる合計流量Q_aaを考えるとき、
【００２８】
【数３】

となる。ここで、図２に示すように、２つの孔隙の断面積が、管壁周辺を構成する材質の変形により、S_b=1.5Sa、S_c＝0.5S_aのように断面積合計に差異を生じない変形を生じた場合、それぞれの管の内半径は、
【００２９】
【数４】

この場合、S_bとS_cを流れる合計の流量Q_bcは
【００３０】
【数５】

となり、Q_bc＝1.25Q_aaの関係が成立する。
【００３１】
一般にこの偏りが大きいほど合計となる合計流量の上昇は大きくなり、給水器具の断面では、無数に同様の現象が生じていると考えられる。したがって、給水器具が折り曲げられたり、収縮したりすることで、壁体にシワが生じると、上記のような現象が生じ、孔隙を通過する液体の流量が大きくなるという効果を得ることができる。
【００３２】
但し、弾力性のある材料で、合計となる孔隙断面積に変化を伴う素材の場合、理論的に上記は成立せず、一般に、断面が、引き伸ばされ、分布する孔隙の半径が拡張することにより通水速度は上昇（通気耐圧は低下）し、逆に圧縮することにより通水速度は低下（通気耐圧は上昇）することは多孔性、多孔質性材質の透水性に関する理論から明らかである。なお、弾力性のある素材の場合の特性は、材質壁面（断面）上での孔隙の容積の増減により生じていると換言することもできる。
【００３３】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を負圧灌漑に対して適用したが、低正圧を利用したものに適用することも可能である。この場合の壁体の材料は、負圧灌漑に用いるものよりも、透水性能が低いもの、例えば透水係数が１０^-5～１０^-7ｃｍ／ｓのものを用いることが可能となる。そして、負圧灌漑の場合と同様にこの壁体に親水性及び撥水性の処理を行うと、負圧灌漑と同様の自動給水が可能となる。また、負圧灌漑の場合と同様に、孔隙に汚れが付着するのを防止できるのは勿論である。このときの低正圧の範囲は、例えば０～１０ｋＰａとすることが好ましい。なお、上記透水係数は、例えば、ＪＩＳＡ１２１８：１９９８の土の透水試験方法に準拠した方法で計測することができる。
【００３４】
ところで、従来より、低正圧を利用した給水は、負圧を利用したものよりも感度が低いと言われている。すなわち、給水の自動制御性において、土壌の水分の増減に対する給水の追従性が低いものであった。しかしながら、給水器具の壁体を親水性にすることで、水との接触性が増大することから、給水の感度を向上することができる。
【００３５】
また、上記実施形態では、筒状の給水器具を用いているが、これ以外の形状を用いることもできる。すなわち、多数の孔隙が形成された壁体によって内部空間が形成されているものであれば、例えば箱形や袋形のものであっても構わない。このとき、給水器具を袋形に形成し、予め水をパックしたものを準備しておくこともできる。また、上記説明では、壁体の一部に撥水性の第１領域を形成しているが、この第１領域は必ずしも設ける必要はなく、その代わりに立ち上がり管や逆止弁等を設けて、内部空間に生ずる気泡を排出するようにしてもよい。
【００３６】
また、図３に示すように、給水器具１に排出口１３を形成し、この排出口１３と水位調整タンク２とをさらに別の導水管４で連結すると、給水器具１と水位調整タンク２１との間で水を循環させることができる。こうすることで、給水器具１の内部空間Ｓに汚れが生ずるのをより確実に防止することができる。なお、水を循環させる手段はこれに限定されず、要するに給水器具１内の水が滞留せずに移動できるようにするものであればよい。
【００３７】
上記各実施形態では、給水器具１に水を供給しているが、これに限定されるものではなく、液肥や、農薬等の薬剤を含んだ液体を供給することもできる。
【００３８】
上記説明では、給水器具１を土壌中に埋設しているが、土壌に接触している限りは給水器具１内外の圧力差に基づいて給水可能であるため、土壌表面に配置することもできる。また、水分を供給する媒質は、上記のように土壌に限られず、例えば、ロックウール等の吸水性のある多孔質材料や保水材であっても構わない。
【実施例】
【００３９】
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４０】
（実験１）
まず、給水器具を以下のような織布で形成する場合を想定し、これらを親水処理をしたときと、しないときの空気侵入圧を測定した。この実験では、面積２０ｃｍ²の円形のサンプルを用い、表面に酸化チタンを含有するワックスを塗布することによって親水処理を行った。また、面積２０のサンプルに加え、面積２８ｃｍのサンプルを面積２０ｃｍの円孔に取り付け、サンプルを絞り込んだ。すなわち、意図的に屈曲させたサンプルも使用した。なお、空気侵入圧の試験方法は、地盤工学会基準（ＪＧＳ０１５１－２０００）の土の保水性試験方法に準拠した方法とした。結果は、図４の通りである。
【００４１】
本実験では、サンプル１～４の透水係数がサンプル５～６の透水係数よりも大きくなっている。すなわち、サンプル１～４は負圧灌漑を対象としており、サンプル５～６は低正圧灌漑を対象としている。同図に示すように、親水処理をすることで、空気侵入圧が大きく向上しており、織布であっても十分に使用できることが分かる。特に、サンプル３に示すように、織布を絞り込んだ状態、つまり現実には給水器具が屈曲、変形等した場合には、空気侵入圧が低すぎて使用することができないが、これを親水処理すると、サンプル４に示すように、空気侵入圧が大きく向上し、負圧灌漑に使用することが可能となることが分かる。
【００４２】
（実験２）
次に、サンプル１，２，５及び６を用い、これを壁体とする給水器具を作成した。この給水器具は、直径４ｃｍ，長さ２０ｃｍのチューブ形のものであり、土壌との接触面積が２５０ｃｍ²となるようにした。そして、これら給水器具を用い、その内部空間の圧力を変化させながら、給水性能を測定した。つまり、各給水器具からの１時間の吸水量から１日あたりの給水量を算出した。なお、ここで用いた土壌は、黒ボク土及びマサ土である。結果は図５及び図６に示す通りである。図５は負圧灌漑に関するものであり、図６は低正圧灌漑に関するものである。
【００４３】
この試験の結果、負圧、低正圧のいずれでも、親水処理をした給水器具が、親水処理をしていない給水器具に比べて高い給水性能を発揮していることが分かる。
【００４４】
（実験３）
続いて、各給水器具の自動給水性能について実験した。サンプル２及び６を用いて直径４４ｍｍ，長さ１２０ｃｍの給水器具を作成し、これを土壌中、深さ５ｃｍの位置に埋設した。そして、図７に示すように、給水器具と供試作物とを配置した。供試作物はメロンである。また、土壌中、図８に示す位置に、土壌水分（土壌水分張力）を計測するセンサを設けた。この実験器具を用いて約２ヶ月半に亘り、設定圧力、各給水器具から土壌への給水量、土壌水分を測定した。結果は、図９及び図１０に示すとおりである。図９は負圧灌漑によるものであり、サンプル２で給水器具を作成した。一方、図１０は低正圧灌漑によるものであり、サンプル６を使用して給水器具を作成した。
【００４５】
これらの図に示すように、本発明に係る給水器具では、土壌の水分の変化とともに、給水量も変化しており、自動給水性能が十分に発揮されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係る灌漑システムの概略構成を示す断面図である。
【図２】負圧灌漑において給水器具が屈曲したときの空気侵入圧の変動を説明する図である。
【図３】本発明に係る灌漑システムの他の示す断面図である。
【図４】親水処理による空気侵入圧の変化を示す表である。
【図５】負圧灌漑における給水性能試験の結果を示す表である。
【図６】低正圧灌漑における給水性能試験の結果を示す表である。
【図７】自動給水性能試験の給水器具の配置を示す図である。
【図８】給水性能試験における土壌水分観測位置を示す図である。
【図９】負圧灌漑における自動給水性能試験の結果を示すグラフである。
【図１０】低正圧灌漑における自動給水性能試験の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１給水器具
１１壁体
１１１第１領域（撥水性領域）
１１２第２領域（親水性領域）
２給水ユニット（液体供給手段）

【出願人】	【識別番号】５０４１７３５９６【氏名又は名称】谷川寅彦【識別番号】５０４１７４３８６【氏名又は名称】矢部勝彦
【出願日】	平成１６年４月３０日（２００４．４．３０）
【代理人】	【識別番号】１０００６５２１５【弁理士】【氏名又は名称】三枝英二【識別番号】１０００９４１０１【弁理士】【氏名又は名称】舘泰光【識別番号】１００１１４６１６【弁理士】【氏名又は名称】眞下晋一【識別番号】１００１２４０２８【弁理士】【氏名又は名称】松本公雄【識別番号】１００１２４０３９【弁理士】【氏名又は名称】立花顕治
【公開番号】	特開２００５－３１２４０５（Ｐ２００５－３１２４０５Ａ）
【公開日】	平成１７年１１月１０日（２００５．１１．１０）
【出願番号】	特願２００４－１３６７０９（Ｐ２００４－１３６７０９）