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【発明の名称】 給水装置
【発明者】 【氏名】上田 里絵
【氏名】島田 幸知
【課題】簡易な構成により貯水槽の水位を調整する。

【解決手段】水耕栽培装置10は、液体を貯水する第1貯水槽110と、第1貯水槽110の底部に形成された開口部125から、第1貯水槽110に貯水された液体が給水される第2貯水槽120と、第2貯水槽120の中に配置され、開口部125に係合するフロート130Aを有する液体よりも比重が小さいフロートユニット130と、を含み、第2貯水槽120に貯水される液体の水位の上昇によりフロート130Aが開口部125に達すると、フロートユニット130の浮力によりフロート130Aが開口部125を押圧して第1貯水槽110からの給水を停止させる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液体を貯水する第1の貯水槽と、
前記第1の貯水槽の底部に形成された開口部から、前記第1の貯水槽に貯水された液体が給水される第2の貯水槽と、
前記第2の貯水槽の中に配置され、前記開口部に係合する止水部を有する前記液体よりも比重が小さい浮子と、を含み、
前記第2の貯水槽に貯水される液体の水位の上昇により前記止水部が前記開口部に達すると、前記浮子の浮力により前記止水部が前記開口部を押圧して前記第1の貯水槽からの給水を停止させる、
ことを特徴とする給水装置。
【請求項2】
前記浮子は、前記止水部と、前記第2の貯水槽に貯水される液体と接し前記止水部を支持する支持部と、前記止水部と前記支持部を接続する接続部と、を含む、
ことを特徴とする請求項1に記載の給水装置。
【請求項3】
前記支持部の体積は、前記止水部の体積よりも大きく、
前記支持部の表面積は、前記開口部の面積よりも大きい、
ことを特徴とする請求項2に記載の給水装置。
【請求項4】
前記浮子は球体、円錐体、又は多角錐体の形状であり、その少なくとも一部が前記止水部として機能する、
ことを特徴とする請求項1に記載の給水装置。
【請求項5】
前記開口部の周囲から鉛直下方向に、前記止水部が前記開口部に達するように誘導するガイドをさらに含む、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の給水装置。
【請求項6】
前記液体は栽培液である、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の給水装置。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、給水装置に関する。
【背景技術】
【0002】
建物の屋上や室内で植物を栽培するための小規模の水耕栽培装置がある。水耕栽培においては、栽培液を適切な水位で保つことが、植物の生育に重要である。そして、従来の水耕栽培装置では、栽培液を供給するポンプをタイマーにより制御して、予め設定した時間間隔毎に栽培液を給水するようにしているものがある(特許文献1を参照)。
【特許文献1】特開2000−236744号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
しかしながら、従来の技術は、予め定められた時間間隔で栽培液を供給するのみで、栽培液を適切な水位に保つものではなかった。また、従来の技術では、ポンプやタイマー等の機械を導入せねばならず装置が複雑化してしまう上に、電源の確保のために装置の設置場所が制限されたり、室内ではポンプの動作音が騒音となってしまったりすることがあった。
【0004】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであって、その目的の1つは、簡易な構成により貯水槽の水位を調整することができる給水装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記目的を達成するために、請求項1に記載の給水装置の発明は、液体を貯水する第1の貯水槽と、前記第1の貯水槽の底部に形成された開口部から、前記第1の貯水槽に貯水された液体が給水される第2の貯水槽と、前記第2の貯水槽の中に配置され、前記開口部に係合する止水部を有する前記液体よりも比重が小さい浮子と、を含み、前記第2の貯水槽に貯水される液体の水位の上昇により前記止水部が前記開口部に達すると、前記浮子の浮力により前記止水部が前記開口部を押圧して前記第1の貯水槽からの給水を停止させる、ことを特徴とする。
【0006】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記浮子は、前記止水部と、前記第2の貯水槽に貯水される液体と接し前記止水部を支持する支持部と、前記止水部と前記支持部を接続する接続部と、を含む、ことを特徴とする。
【0007】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記支持部の体積は、前記止水部の体積よりも大きく、前記支持部の表面積は、前記開口部の面積よりも大きい、ことを特徴とする。
【0008】
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記浮子は球体、円錐体、又は多角錐体の形状であり、その少なくとも一部が前記止水部として機能する、ことを特徴とする。
【0009】
請求項5に記載の発明は、請求項1乃至4のいずれかに記載の発明において、前記開口部の周囲から鉛直下方向に、前記止水部が前記開口部に達するように誘導するガイドをさらに含む、ことを特徴とする。
【0010】
請求項6に記載の発明は、請求項1乃至5のいずれかに記載の発明において、前記液体は栽培液である、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0011】
請求項1に記載の発明によれば、簡易な構成により貯水槽の水位を調整することができる。
【0012】
請求項2に記載の発明によれば、第1の貯水槽の開口部と、第2の貯水槽に貯水される液体の水面との距離が離れていても、第1の貯水槽からの第2の貯水槽への液体の給水を停止させることができる。
【0013】
請求項3に記載の発明によれば、浮子の浮力を大きくすることで、液体の給水をより効果的に停止させることができる。
【0014】
請求項4に記載の発明によれば、浮子が止水部を兼ねる形状としたため、より簡易な構成で貯水槽の水位を調整することができる。
【0015】
請求項5に記載の発明によれば、より確実かつ迅速に液体の給水を停止させることができる。
【0016】
請求項6に記載の発明によれば、栽培液を適切な水位に保つことができるため、水耕栽培に好適に利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明を実施するための最良の実施の形態(以下、実施形態という)を、図面に従って説明する。
【0018】
本実施形態に係る給水装置は、水耕栽培装置に適用されている。この水耕栽培装置は、植物に液肥(栽培液)を供給することにより植物を生育させる装置であり、本実施形態に係る給水装置は、水耕栽培装置の液肥の貯水槽への給水機能を実現するものである。
【0019】
図1には、本実施形態に係る水耕栽培装置10の全体構成の正面図を示す。図1に示されるように、水耕栽培装置10は、内部構成として、栽培槽100、第1貯水槽110、第2貯水槽120を含み構成される。なお、本実施形態に係る給水装置の特徴的な機構は、第1貯水槽110から第2貯水槽120へ給水する給水機構200に現されている。以下、水耕栽培装置10の各部の詳細を説明する。
【0020】
栽培槽100は、植物が生育する空間として設けられるものであり、水耕栽培装置10の外枠105と第1貯水槽110とにより形成される内部空間により構成される。栽培槽100の天井や側面には通気口を設け、栽培槽100内の空気を換気するようにしてもよい。また、水耕栽培装置10の外枠105のうち栽培槽100を構成する部分には、ガラス等の透明部材を用いて、植物へ適度な光が供給されるようにする。
【0021】
また、水耕栽培装置10の外枠105の一部には、水耕栽培装置10に液肥を給水するための給水口115が設けられており、この給水口115に給水された液肥は第1貯水槽110へと注ぎ込まれる。第1貯水槽110は、給水口115から給水された液肥を一時的に貯水する貯水槽であり、第1貯水槽110に貯水された液肥の一部が、第1貯水槽110の底部に設けられた開口部125を通じて、後述する第2貯水槽120へと流入する。開口部125は、第1貯水槽110の底面に所定径の円形の穴を形成することにより設けることとしてよい。もちろん開口部の形状は円形に限られず、その他の形状としても構わない。また、開口部125の周囲には、開口部125の外周を囲む大きさのガイド127が、鉛直下方向に設けられる。ガイド127は、例えば金網のように液肥が通過できる形状とすることにより、後述するように、フロートユニット130がガイド127の位置まで浮上してきた場合でも、液肥を第1貯水槽110から第2貯水槽120へとスムーズに流入させることができる。
【0022】
第2貯水槽120は、第1貯水槽110の直下に重ねて配置され、植物に直に供給する液肥を貯水する貯水槽である。第2貯水槽120の天井部分は、第1貯水槽110の底面により構成されており、前述したように第2貯水槽120には、第1貯水槽110の底部に設けられた開口部125から、第1貯水槽110に貯水された液肥が流入してくる。この第2貯水槽120は植物に直に供給する液肥を貯水する貯水槽であるため、本発明では、第2貯水槽120の液肥の水位を適切に保つために給水機構200が設けられている。以下、給水機構200の詳細について説明する。
【0023】
第2貯水槽120の内部には、フロートユニット130が配置される。このフロートユニット130は、上部に球形の先端フロート130Aと、土台として機能する角柱の形状をした土台フロート130Bとを棒状の接続部130Cにより接続して構成される。フロートユニット130は、第1貯水槽110及び第2貯水槽に貯水する液体(液肥)よりも比重の小さな部材により形成する。特に、土台フロート130Bは、フロートユニット130の他の部位に比べて体積が大きいため、例えば発砲スチロール等の比重の小さな部材により構成することとする。また、先端フロート130Aも比重が小さいことが望ましく発砲スチロールにより構成してもよいが、先端フロート130Aは機能上変形しないことが望ましいため、より剛性の高いプラスチックやセルロイド等により形成することとしてもよい。また、後述するように、先端フロート130Aは開口部125の止水栓として機能するため、開口部125からの液肥の漏れがないように、開口部125と係合する部位にはゴム等の素材を用いてもよい。接続部130Cは、先端フロート130Aと土台フロート130Bとを固定する機能を有するため、プラスチックや金属等の剛性の高い素材により形成することとしてよい。
【0024】
フロートユニット130は、第2貯水槽120に貯水される液肥の水位が上昇すると、それに応じて上昇し、開口部125の周囲に第2貯水槽120に向けて設けられたガイド127に沿って開口部125に達する。そして、フロートユニット130の先端フロート130Aが開口部125に達すると、フロートユニット130の浮力により開口部125を押圧して、第1貯水槽110からの水圧とフロートユニット130からの浮力による圧力とが平衡状態に達したところで、先端フロート130Aにより第1貯水槽110の開口部125が閉塞される。こうして、第1貯水槽110から第2貯水槽120への液肥の給水が停止される。なお、上記のフロートユニット130による給水停止処理の詳細については後述する。
【0025】
また、本発明における必須の構成ではないが、第2貯水槽120の内部には、ポンプ140を設けてもよい。このポンプ140により、液肥に酸素を混入させ、植物に適度に酸素を補給することができる。なお、ポンプ140により植物の根を傷つけないように、ポンプ140は金網142により周囲を囲っておく。
【0026】
また、第1貯水槽110には植物が第2貯水槽120へと達するための、例えば円柱形の貫通部150が設けられており、その下部には、植物の茎や幹を安定的に支えるための支持部152が設けられている。
【0027】
次に、図2を参照しつつ、第1貯水槽110からの第2貯水槽120への給水が停止された平衡状態における、両者の水位の関係を説明する。
【0028】
図2において、第1貯水槽110に貯水される液肥の水位をD1、第2貯水槽120に貯水される液肥の水位をD2とする。また、水位D2のうち、土台フロート130Bが液肥に浸かっている部位の水位をD3、土台フロート130Bの底面から第2貯水槽120の底面までの水位をD4とする。もちろん、D2=D3+D4であり、図2における水位D2を第2貯水槽120の目標水位とする。また、開口部125の表面積をS1、土台フロート130Bの底面の表面積をS2とする。
【0029】
図2に示された開口部125においては、第1貯水槽110に貯水された液肥の水圧F1(下向きを正)、フロートユニット130の浮力による上向きの力F2(上向きを正)と、フロートユニット130にかかる重力M(下向きを正)とがつり合いの関係にある、すなわち、F1,F2,MがF1=F2−Mの関係式を満たしている状態にある。また、それぞれの力は、以下のように表される。
F1=ρ・S1・D1・g ・・・(1)
F2=ρ・S2・D3・g ・・・(2)
M=m・g ・・・(3)
なお、ρは液肥の比重、gは重力加速度、mはフロートユニット130の質量とする。そして、先に述べたようにF1=F2−Mであるから、ρ・S1・D1=ρ・S2・D3―m、すなわち、
D3=(ρ・S1・D1+m)/ρ・S2 ・・・(4)
となる。
【0030】
ここで、第2貯水槽120の液肥がΔVだけ消費されたとすると、第2貯水槽120の水位は下がり、第1貯水槽110からはおよそΔVの液肥が流入する。すると第2貯水槽120の水位は再び上昇し、それに伴いフロートユニット130も上昇し、第1貯水槽110からの給水を再度停止させる。
【0031】
このとき、第1貯水槽110の水位はΔD1=ΔV/S0(S0は第1貯水槽110及び第2貯水槽120の底面積)だけ下がるため、新たなD3の水位は、
D3=(ρ・S1・(D1−ΔD1)+m)/ρ・S2=(ρ・S1・D1+m)/ρ・S2―(S1/S2)ΔD1 ・・・(5)
となる。したがって、D3の変動量ΔD3=―(S1/S2)ΔD1となり、S2はS1と比較して大きな値であるから、第2貯水槽120の水位の減少は、第1貯水槽110の水位の減少量に比較して小さくなる。こうして、第2貯水槽の液肥が消費されても、第1貯水槽110から適宜液肥が供給されて、第2貯水槽120の水位は目標水位に近い状態で適切に保たれることとなる。また、ΔD3=―(S1/S2・S0)ΔVであるから、S0を大きくすることによっても、水位D3の変動を小さくすることができる。
【0032】
次に、図3及び図4を参照しつつ、第1貯水槽110と第2貯水槽120とが空の状態から、液肥を第1貯水槽110に給水して、第2貯水槽120の水位D2が目標水位に到達するまでの流れを具体的に説明する。
【0033】
なお、以下説明する例では、S0=0.1m。S1=0.01m、S2=0.0001m、第2貯水槽120の高さH0=0.2m、フロートユニット130の高さH1=0.15m、フロートユニット130の質量m=0.1kg、給水する液体は水(比重1g/cm)とし、D2の目標水位を7.5cmとした場合のものである。
【0034】
ここで、図3には、第1貯水槽110に給水した液肥が、第1貯水槽110の開口部125を通じて第2貯水槽120に貯水されていく様子を、図3(A)〜(D)の順に時系列に示している。また、図4は、図3(A)〜(D)の各状態に推移していく際の、第1貯水槽110及び第2貯水槽120の水位D1〜D4の値を示したグラフである。なお、給水口115からの第1貯水槽110への給水は、非常にゆっくりと行われるものとする。
【0035】
図3(A)では、第1貯水槽110及び第2貯水槽120に液肥(水)が未だ貯水されていない初期状態を示す。この初期状態をStep0とする。Step0は、図4に示したグラフにおける原点部に相当する。もちろん、初期状態におけるD1〜D4の全ての値は0である。そして、このStep0の状態から、給水口115から第1貯水槽110に液肥(水)の給水を開始する。
【0036】
Step0から図3(B)に示されるStep1の状態の間、第1貯水槽110に供給された液肥が開口部125を通じて、第2貯水槽120に流れ込んでいる。そして、第2貯水槽120に一定量の液肥が貯水されると、フロートユニット130が浮力により浮上を開始する。このフロートユニット130の浮上開始時点を、Step1とする。Step1における各貯水槽の水位D1〜D4は、図4に示されたStep1の点のグラフの各値となっている。
【0037】
Step1から図3(C)に示されるStep2の状態の間、第1貯水槽110から継続して第2貯水槽120へと給水が行われており、第2貯水槽120の水位の上昇に伴いフロートユニット130も上昇する。そして、図3(C)には、上昇したフロートユニット130がガイド127により開口部125に誘導され、フロートユニット130の先端フロート130Aが開口部125に丁度到達した状態が示されている。この状態をStep2とし、Step2以後は先端フロート130Aが、フロートユニット130の浮力により開口部125からの給水を停止する止水栓の役割を果たすようになる。図4のStep2には、Step2における各貯水槽の水位を示している。
【0038】
Step2から図3(D)に示すStep3の状態の間、第1の貯水槽110に給水された液肥による水力と、フロートユニット130の浮力とが均衡を保ちながら、第1貯水槽110と第2貯水槽120に液肥(水)が共に貯水されてゆく。ここで第1貯水槽110の水位が増加していくのに応じて、フロートユニット130の土台フロート130Bの浸水水位D3も増加していく。図3(D)に示された、第2貯水槽120の水位D2(D3+D4)が目標水位に達した状態をStep3とする。第2貯水槽120の水位が目標水位に達したところで、給水口115から液肥(水)の給水を停止する。図4のStep3には、Step3における各貯水槽の水位を示している。
【0039】
このようにして第2貯水槽に貯水された液肥は、植物の生育に用いられ消費されると、上述したように上部に設置された第1貯水槽から液肥が補給されて、第2貯水槽の水位は適切な水位を保つこととなる。
【0040】
以上説明した本実施形態に係る給水装置によれば、簡易な構成により水耕栽培装置10の液肥を貯水する第2貯水槽120を適切な水位に保つことができる。
【0041】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
【0042】
例えば、フロートユニット130の形状は、上述した実施形態のものに限られるものではなく、フロートユニット130を球体、円錐体、又は多角錐体等の形状として先端フロート130A、土台フロート130B等を一体として構成し、フロートユニット130の上端部を開口部125と係合する止水栓として機能させることとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】本実施形態に係る水耕栽培装置の全体構成の正面図である。
【図2】第1貯水槽及び第2貯水槽の水位の関係を説明する図である。
【図3】第2貯水槽の水位が目標水位に到達するまでの流れを説明する図である。
【図4】第1貯水槽及び第2貯水槽の水位を表すグラフを示した図である。
【符号の説明】
【0044】
10 水耕栽培装置、100 栽培槽、105 外枠、110 第1貯水槽、115 給水口、120 第2貯水槽、125 開口部、127 ガイド、130 フロートユニット、130A 先端フロート、130B 土台フロート、130C 接続部、140 ポンプ、142 金網、150 貫通部、152 支持部、200 給水機構。
【出願人】 【識別番号】593063161
【氏名又は名称】株式会社NTTファシリティーズ
【出願日】 平成19年9月6日(2007.9.6)
【代理人】 【識別番号】110000154
【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所
【公開番号】 特開2009−60853(P2009−60853A)
【公開日】 平成21年3月26日(2009.3.26)
【出願番号】 特願2007−231826(P2007−231826)