(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体に気体を溶解させる気体溶解装置であって、
混合容器と、
液体を貯溜する貯溜部と、
溶解度が異なる複数の気体を含む混合気体を前記混合容器内に供給する気体供給部と、
前記混合容器内に液体を噴射する液体噴射部と、
前記混合容器に接続された排出路上に設けられ、排出される液体が通過することにより前記混合容器内を加圧環境とする絞り部と、
前記絞り部から排出される液体の少なくとも一部を前記貯溜部へ貯溜して前記液体噴射部へと戻す循環路と、
前記気体供給部および前記液体噴射部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部による制御により、
ａ）前記混合気体が充填された前記混合容器内に、前記液体噴射部から液体を噴射して前記混合容器内を加圧環境としつつ、前記絞り部を介して前記液体を排出する工程と、
ｂ）所定時間または所定量の液体を噴射した後に、液体の噴射を停止する工程と、
ｃ）加圧環境のまま所定時間継続して前記混合容器内に前記混合気体を新たに供給することにより、前記混合容器内に残存していた気体および液体を前記絞り部から排出するとともに前記混合容器内に前記混合気体を新たに充填する工程と、
ｄ）前記貯溜部からの液体を前記液体噴射部へと戻しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程と、
が行われることを特徴とする気体溶解装置。
【請求項２】
請求項１に記載の気体溶解装置であって、
前記混合容器が、
前記液体噴射部から噴射された後の液体が加圧環境下にて流れるとともに、前記液体に前記液体噴射部から噴射された直後の液体が衝突する第１流路と、
前記第１流路の下方に位置し、前記第１流路から流入した前記液体が加圧環境下にて流れる第２流路と、
を備えることを特徴とする気体溶解装置。
【請求項３】
請求項２に記載の気体溶解装置であって、
前記第２流路の端部上面に、前記第１流路への貫通孔が設けられることを特徴とする気体溶解装置。
【請求項４】
生物を育てるための生物育成装置であって、
請求項１ないし３のいずれかに記載の気体溶解装置と、
前記気体溶解装置にて生成された液体を貯溜するとともに生物を育てる水槽と、
を備えることを特徴とする生物育成装置。
【請求項５】
請求項４に記載の生物育成装置であって、
前記貯溜部から前記水槽へと液体を供給し、前記水槽から前記貯溜部へと前記液体を戻す他の循環路をさらに備えることを特徴とする生物育成装置。
【請求項６】
生物を育てるための生物育成装置であって、
請求項１ないし３のいずれかに記載の気体溶解装置の前記貯溜部が、生物を育てる水槽であることを特徴とする生物育成装置。
【請求項７】
液体に気体を溶解させる気体溶解方法であって、
ａ）溶解度が異なる複数の気体を含む混合気体が充填された混合容器内に、液体噴射部から液体を噴射して前記混合容器内を加圧環境としつつ、絞り部を介して前記液体を排出し、前記絞り部から排出される液体の少なくとも一部を前記貯溜部へ貯溜する工程と、
ｂ）所定時間または所定量の液体を噴射した後に、液体の噴射を停止する工程と、
ｃ）加圧環境のまま所定時間継続して前記混合容器内に前記混合気体を新たに供給することにより、前記混合容器内に残存していた気体および液体を前記絞り部から排出するとともに前記混合容器内に前記混合気体を新たに充填する工程と、
ｄ）前記貯溜部からの液体を前記液体噴射部へと戻しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程と、
が行われることを特徴とする気体溶解方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体に気体を溶解させる気体溶解装置および気体溶解方法、並びに、当該気体溶解装置を備える生物育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水耕栽培を行う水耕栽培装置では、植物の成長を促進するために、培養液中の溶存酸素量を増大させることが求められている。例えば、特許文献１の装置では、窒素に比べて酸素を優先的に透過させる気体分離膜、および、当該気体分離膜から空気よりも酸素濃度が高い酸素富化空気を取り出す真空ポンプが設けられ、取り出された酸素富化空気を水槽に貯溜された培養液中にて曝気することにより、培養液中の溶存酸素量を増大させる技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２９１３５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の装置では、培養液中の溶存酸素量を増大させるために、酸素富化空気を生成する必要がある。このため、上述のような気体分離膜や真空ポンプ等が必要となり、装置の構造が複雑化してしまう。また、水槽に貯溜された培養液に酸素富化空気が供給されるが、酸素富化空気が供給される供給口近傍と、供給口から離れた位置とで、培養液の溶存酸素量が不均一になってしまう。したがって、全体的に溶存酸素濃度が高い培養液を生成することが容易ではない。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、所望の気体が高濃度にて溶解した液体を効率良く生成することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、液体に気体を溶解させる気体溶解装置であって、混合容器と、液体を貯溜する貯溜部と、溶解度が異なる複数の気体を含む混合気体を前記混合容器内に供給する気体供給部と、前記混合容器内に液体を噴射する液体噴射部と、前記混合容器に接続された排出路上に設けられ、排出される液体が通過することにより前記混合容器内を加圧環境とする絞り部と、前記絞り部から排出される液体の少なくとも一部を前記貯溜部へ貯溜して前記液体噴射部へと戻す循環路と、前記気体供給部および前記液体噴射部を制御する制御部とを備え、前記制御部による制御により、ａ）前記混合気体が充填された前記混合容器内に、前記液体噴射部から液体を噴射して前記混合容器内を加圧環境としつつ、前記絞り部を介して前記液体を排出する工程と、ｂ）所定時間または所定量の液体を噴射した後に、液体の噴射を停止する工程と、ｃ）加圧環境のまま所定時間継続して前記混合容器内に前記混合気体を新たに供給することにより、前記混合容器内に残存していた気体および液体を前記絞り部から排出するとともに前記混合容器内に前記混合気体を新たに充填する工程と、ｄ）前記貯溜部からの液体を前記液体噴射部へと戻しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程とが行われる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の気体溶解装置であって、前記混合容器が、前記液体噴射部から噴射された後の液体が加圧環境下にて流れるとともに、前記液体に前記液体噴射部から噴射された直後の液体が衝突する第１流路と、前記第１流路の下方に位置し、前記第１流路から流入した前記液体が加圧環境下にて流れる第２流路とを備える。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の気体溶解装置であって、前記第２流路の端部上面に、前記第１流路への貫通孔が設けられる。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、生物を育てるための生物育成装置であって、請求項１ないし３のいずれかに記載の気体溶解装置と、前記気体溶解装置にて生成された液体を貯溜するとともに生物を育てる水槽とを備える。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の生物育成装置であって、前記貯溜部から前記水槽へと液体を供給し、前記水槽から前記貯溜部へと前記液体を戻す他の循環路をさらに備える。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、生物を育てるための生物育成装置であって、請求項１ないし３のいずれかに記載の気体溶解装置の前記貯溜部が、生物を育てる水槽である。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、液体に気体を溶解させる気体溶解方法であって、ａ）溶解度が異なる複数の気体を含む混合気体が充填された混合容器内に、液体噴射部から液体を噴射して前記混合容器内を加圧環境としつつ、絞り部を介して前記液体を排出し、前記絞り部から排出される液体の少なくとも一部を前記貯溜部へ貯溜する工程と、ｂ）所定時間または所定量の液体を噴射した後に、液体の噴射を停止する工程と、ｃ）加圧環境のまま所定時間継続して前記混合容器内に前記混合気体を新たに供給することにより、前記混合容器内に残存していた気体および液体を前記絞り部から排出するとともに前記混合容器内に前記混合気体を新たに充填する工程と、ｄ）前記貯溜部からの液体を前記液体噴射部へと戻しつつ前記ａ）工程ないし前記ｃ）工程を繰り返す工程とが行われる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明では、所望の気体が高濃度にて溶解した液体を効率良く生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る水耕栽培装置の構成を示す図である。
【図２】支柱近傍を拡大して示す図である。
【図３】照明部の底面図である。
【図４】加圧溶解部の構成を示す図である。
【図５】水耕栽培装置における培養液の生成の流れを示す図である。
【図６】減圧ノズルの他の例を示す断面図である。
【図７】第２の実施の形態に係る水耕栽培装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る水耕栽培装置１の構成を示す図である。水耕栽培装置１は、定植水槽２、気体溶解部３、照明部５１、照明部昇降機構５２、反射板５３および温度センサ６を備え、また、気体溶解部３を制御する制御部７を備える。
【００１６】
気体溶解部３は、第１循環路３０により接続される複数の構成を備え、液体を第１循環路３０において循環させつつ、大気圧よりも圧力が高い状態（以下、「加圧環境」という。）にて当該液体に気体を溶解させる。本実施の形態では、気体溶解部３により、水耕栽培用の培養液に空気中の酸素を加圧環境下にて溶解させることにより溶存酸素濃度が高い培養液が生成される。
【００１７】
気体溶解部３は、第１循環路３０上に設けられる加圧溶解部３１および貯溜部である貯溜タンク３６を備える。加圧溶解部３１は、加圧環境下にて液体に気体を溶解させる。貯溜タンク３６は、加圧溶解部３１の後述する混合容器３２から排出路３０１を介して排出される液体の少なくとも一部を一時的に貯溜するバッファ部である。貯溜タンク３６に貯溜された液体の一部は、第１還流路３０２を介して加圧溶解部３１へと戻される。第１還流路３０２上には、貯溜タンク３６から加圧溶解部３１へと液体を送出する第１ポンプ３７１が設けられる。排出路３０１および第１還流路３０２はそれぞれ、第１循環路３０の一部である。
【００１８】
水耕栽培装置１では、貯溜タンク３６において、貯溜タンク３６内の液体、すなわち、培養液９１の栄養分の濃度や酸素の溶解量等の管理が行われる。貯溜タンク３６と定植水槽２とは供給路３８１にて接続されており、供給路３８１上には、貯溜タンク３６内の培養液９１を定植水槽２に送出する第２ポンプ３７２が設けられる。定植水槽２は、貯溜タンク３６から供給される気体溶解部３にて生成された培養液９１を貯溜する。図１では、図の理解を容易にするために、貯溜タンク３６の内部を細い実線にて描いている。
【００１９】
定植水槽２は、平面視において略矩形状、かつ、上部が開口した浅底の箱形であり、基台２５上に載置される。定植水槽２では、複数の苗植え込み孔が設けられた発泡スチロール製の定植板８１が培養液９１の液面に浮かべられ、定植板８１の各苗植え込み孔にレタス等の植物が植え付けられることにより、当該植物が培養液９１上に定植される。定植水槽２には温度センサ６が設けられ、定植水槽２内の培養液９１の温度が温度センサ６により測定されて制御部７へと出力される。
【００２０】
定植水槽２の底面側には、上方に突出するとともに上端部に開口部を有する排液部２１が設けられる。定植水槽２には、貯溜タンク３６から供給路３８１を介して連続的に所定流量の培養液９１が供給されており、定植水槽２内の培養液９１は、排液部２１の開口部に達すると、排液部２１に溢れ込むようにして定植水槽２外へと排出される。このため、定植水槽２内の培養液９１の液面は、当該排液部２１の開口部の上下方向の位置にほぼ等しい位置にて維持される。定植水槽２から排出された培養液９１は、第２還流路３８２を介して貯溜タンク３６へと戻される。水耕栽培装置１では、供給路３８１および第２還流路３８２はそれぞれ、貯溜タンク３６から定植水槽２へと培養液９１を供給し、定植水槽２から貯溜タンク３６へと培養液９１を戻す第２循環路３８の一部である。
【００２１】
照明部５１は、定植水槽２の上方に配置され、定植水槽２に向けて光を照射する。照明部昇降機構５２は、複数の支柱５２１、複数の滑車５２２、複数の錘５２３、複数の接続線であるワイヤ５２４を備える。本実施の形態では、４本の支柱５２１、４つの滑車５２２および４本のワイヤ５２４が、定植水槽２の周囲において定植水槽２の４つの角部近傍に配置される。４本の支柱５２１には、定植水槽２の周囲を囲むように４枚の反射板５３が取り付けられる。図１では、図の理解を容易にするために、図中の左右の反射板５３のみを図示しており、図中の手前側および奥側の反射板５３の図示を省略している（図２においても同様）。水耕栽培装置１では、４枚の反射板５３により、照明部５１からの光が定植水槽２に向けて反射される。これにより、定植水槽２に定植された植物に照射される光量が増大するため、植物の成長がさらに促進される。
【００２２】
図２は、１本の支柱５２１近傍を拡大して示す図である。複数の支柱５２１は、上下方向に延びる略円筒状であり、支柱５２１の上端部は定植水槽２および照明部５１よりも上方に位置する。滑車５２２は、照明部５１よりも上方において支柱５２１の上端部に固定され、滑車５２２に掛けられたワイヤ５２４の両端は、照明部５１および錘５２３に固定される。換言すれば、照明部５１と複数の錘５２３とは、複数の滑車５２２により支持された複数のワイヤ５２４を介して接続される。錘５２３は略円柱状であり、支柱５２１の内部にて昇降可能に吊り下げられて配置される。他の支柱５２１、滑車５２２、錘５２３およびワイヤ５２４の構造も、上述の構造と同様である。４つの錘５２３の合計重量は、照明部５１の重量に略等しい。なお、ワイヤ５２４に代えて、他の線上部材やチェーン等が錘５２３と照明部５１とを接続する接続線として利用されてもよい。支柱５２１は筒状であればよく、その長手方向に垂直な断面形状は、例えば矩形であってもよい。また、筒状の支柱５２１により内部の錘５２３がおよそ囲まれていればよく、例えば、支柱５２１の長手方向に垂直な断面形状は、略Ｃ字状であってもよい。
【００２３】
図３は、照明部５１の底面図である。図３に示すように、照明部５１は、水平な配列方向に配列される棒状または板状の複数の照明ユニット５１１、および、複数の照明ユニット５１１を支持する２本の照明ユニット支持部５１２を備える。複数の照明ユニット５１１は、水平かつ上記配列方向に垂直な方向に互いに平行に延びる。以下の説明では、照明ユニット５１１が延びる方向を「ユニット長手方向」と呼び、複数の照明ユニット５１１の配列方向を「ユニット配列方向」という。
【００２４】
各照明ユニット支持部５１２は、ユニット配列方向に延びる棒状部材であり、照明ユニット支持部５１２の両端は照明用フレーム５１４に固定される。各照明ユニット５１１は、図１に示すように、２本の照明ユニット支持部５１２に吊り下げ具５１６を利用して吊り下げられる。図３に示す複数の照明ユニット５１１は、２本の照明ユニット支持部５１２に沿ってユニット配列方向に個別にスライド可能である。このため、定植水槽２（図１参照）にマトリクス状に定植された複数の植物のユニット配列方向の間隔に合わせて、複数の照明ユニット５１１をユニット配列方向の適切な位置に配置することができる。
【００２５】
各照明ユニット５１１には、複数の光源５１３がユニット長手方向に平行な略直線状に取り付けられる。本実施の形態では、光源５１３として電源からの定電流にて駆動される白色ＬＥＤが利用される。複数の光源５１３の電源は、照明用フレーム５１４上等に配置され、光源５１３よりも定植水槽２から上方に離間している。このため、光源５１３および電源から発生する熱が、定植水槽２内の培養液９１の温度や定植水槽２に定植されている植物に与える影響を抑制することができる。
【００２６】
図２および図３に示すように、照明用フレーム５１４の４つの角部には、上下方向に延びる４本の円筒部材５１５が設けられる。４本の円筒部材５１５には、図２に示すように、照明部昇降機構５２の４本の支柱５２１が挿入され、各円筒部材５１５は、支柱５２１に沿って上下方向にスライド可能である。換言すれば、照明部５１の複数の円筒部材５１５は、複数の支柱５２１に沿って上下方向にスライドする複数の上下スライド部である。照明部５１は、複数の円筒部材５１５を介して、照明部昇降機構５２の複数の支柱５２１に昇降可能に取り付けられる。
【００２７】
上述のように、照明部５１の重量は、４つの錘５２３の合計重量に略等しいため、照明部５１の上下方向の位置は、大きな力を加えない限り維持される。照明部５１を昇降させる際には、照明部５１に上向きまたは下向きの力を加えることにより、照明部５１が４本の支柱５２１に沿って上下方向にスライドする。すなわち、支柱５２１は、照明部５１の昇降の際のガイドの役割を果たす。
【００２８】
水耕栽培装置１では、複数の支柱５２１、複数の滑車５２２、複数の錘５２３、並びに、複数のワイヤ５２４により、照明部５１を簡単な機構にて昇降することができる。その結果、定植水槽２に定植された植物の成長に合わせて、植物と照明部５１との距離を適切に調整することができる。また、複数の錘５２３が複数の支柱５２１の内部にそれぞれ配置されるため、錘５２３が作業の邪魔になってしまうことが防止される。さらに、照明部５１が、上下スライド部である複数の円筒部材５１５を介して複数の支柱５２１に取り付けられることにより、照明部５１を滑らかに上下方向に移動させることができる。
【００２９】
水耕栽培装置１では、照明部５１の意図しない昇降を確実に防止するために、照明部５１の昇降時以外のときは、円筒部材５１５の上下において支柱５２１にストッパ５２５が取り付けられる。また、照明部５１が支柱５２１の上端部近傍まで上昇した状態であっても、錘５２３は、支柱５２１内に収容された状態で、床よりも上方に位置する。これにより、照明部５１を上方に位置させた状態においても、錘５２３が作業の邪魔になってしまうことが防止される。なお、ストッパ５２５を取り外した際に、照明部５１の意図しない下降を確実に防止するために、複数の錘５２３の合計重量が、照明部５１の重量よりもある程度重くされてもよい。また、照明部５１を定植水槽２の側方まで延在させてもよい。これによって、葉の裏側にも光を照射して葉の裏側に隠れている特定波長の光を嫌う害虫を駆除したり、定植水槽２を透明にして水中の植物の栽培にも適用したりしてもよい。
【００３０】
図４は、加圧溶解部３１の構成を示す図であり、加圧溶解部３１の一部の構成を断面にて描く。加圧溶解部３１は、混合容器３２、混合容器３２に取り付けられる液体噴射部３３および気体供給部３４、並びに、混合容器３２に接続される排出路３０１上に設けられる減圧ノズル３５を備える。混合容器３２は、上下方向に積層される第１流路３２１および第２流路３２２を備える。第２流路３２２は、第１流路３２１の下方に位置する。第１流路３２１および第２流路３２２は、水平方向に延びる管路であり、長手方向に垂直な断面は略矩形である。
【００３１】
混合容器３２の第１流路３２１の上部には、気体供給部３４が接続される。気体供給部３４は、気体供給路３４１、逆止弁３４２、バルブ３４３、電磁弁３４４、気体タンク３４５およびコンプレッサ３４６を備える。気体供給路３４１は混合容器３２の第１流路３２１の上部に接続されており、逆止弁３４２、バルブ３４３、電磁弁３４４、気体タンク３４５およびコンプレッサ３４６は、気体供給路３４１上に混合容器３２側から順に設けられる。加圧溶解部３１では、気体供給部３４の電磁弁３４４が制御されることにより、混合容器３２内への気体の供給が開始、または、停止される。本実施の形態では、気体供給部３４により空気が混合容器３２内に供給される。空気は、溶解度が異なる窒素（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）を主に含む混合気体であり、酸素の溶解度は、窒素の溶解度の２倍以上である。なお、気体供給部３４では、気体タンク３４５およびコンプレッサ３４６に代えて、例えば、ボンベ等から気体供給路３４１に気体が供給されてもよい。
【００３２】
液体噴射部３３は、液体噴射ノズル３３１、および、既述の第１ポンプ３７１を備え、混合容器３２内に培養液９１を噴射する。液体噴射ノズル３３１は、第１流路３２１の上流側の端部（すなわち、図１中の左側の端部）において、混合容器３２の側面に取り付けられる。第１ポンプ３７１により、貯溜タンク３６から液体噴射ノズル３３１へと送出された培養液９１は、液体噴射ノズル３３１から混合容器３２内へと噴射される。混合容器３２内には、気体供給部３４により、予め空気が充填されており、培養液９１の噴射が行われる際には、気体供給部３４からの空気の供給は停止されている。
【００３３】
液体噴射ノズル３３１からの培養液９１は、第１流路３２１内の培養液９１の液面とおよそ同じ高さから噴射され、噴射された直後に第１流路３２１を図１中の右側に向かって流れる培養液９１に直接衝突し、共に加圧環境下にて第１流路３２１の下流側へと流れる。図４では、混合容器３２中の培養液９１に平行斜線を付す。第１流路３２１の下流側の端部（すなわち、図４中の右側の端部）の下面には、略円形の開口３２１ａが設けられており、第１流路３２１を流れる培養液９１は、第１流路３２１の下方に位置する第２流路３２２へと開口３２１ａを介して流入する。
【００３４】
第２流路３２２では、第１流路３２１から流入した培養液９１が、図１中の右側から左側へと加圧環境下にて流れ、第２流路３２２の下流側の端部の側面に接続された排出路３０１へと排出される。第２流路３２２の下流側の端部の上面には、貫通孔３２２ａが設けられており、第２流路３２２内に充満する培養液９１の上部に存在する気泡が貫通孔３２２ａを介して第１流路３２１へと戻される。
【００３５】
排出路３０１の先端部には、絞り部である減圧ノズル３５が設けられ、減圧ノズル３５の先端は貯溜タンク３６の側面に接続される。気体溶解部３では、混合容器３２から排出された培養液９１は、減圧ノズル３５を通過して貯溜タンク３６に排出される。培養液９１が減圧ノズル３５を通過することにより、混合容器３２内は加圧環境とされる。本実施の形態では、混合容器３２内の圧力は約１３０ｋＰａ（キロパスカル）である。なお、減圧ノズル３５は、排出路３０１上に設けられるのであれば、必ずしも排出路３０１の先端部に設けられる必要はなく、例えば、排出路３０１の中央や排出路３０１の混合容器３２側の端部に設けられてもよい。また、減圧ノズル３５に代えて、固定絞りや可変絞り、バルブ等が絞り部として利用されてもよい。
【００３６】
次に、水耕栽培装置１における培養液９１の生成の流れについて、図５を参照しつつ説明する。水耕栽培装置１では、まず、制御部７により図４に示す液体噴射部３３の第１ポンプ３７１が制御されることにより、内部に培養液９１が存在せず、かつ、空気が充填された状態の混合容器３２内に、液体噴射ノズル３３１から培養液９１の噴射が開始される。このとき、気体供給部３４から混合容器３２内への空気の供給は停止されている。液体噴射ノズル３３１からの培養液９１は、混合容器３２の第１流路３２１および第２流路３２２を流れ、排出路３０１および減圧ノズル３５を介して貯溜タンク３６へと排出される。加圧溶解部３１では、培養液９１が減圧ノズル３５を通過することにより、混合容器３２内が加圧環境となる。
【００３７】
そして、液体噴射ノズル３３１からの培養液９１の噴射が継続され、空気が充填された加圧環境下の混合容器３２内を培養液９１が流れる間に、混合容器３２内の空気が培養液９１に加圧溶解する（ステップＳ１１）。上述のように、酸素の溶解度は窒素の溶解度の２倍以上であるため、培養液９１に溶解する窒素に対する酸素の割合は、空気中の窒素に対する酸素の割合よりも大きい。混合容器３２から貯溜タンク３６へと排出される培養液９１には、酸素が過飽和状態にて溶解している。
【００３８】
混合容器３２から排出された培養液９１は貯溜タンク３６にて一時的に貯溜され、その一部は、供給路３８１を介して定植水槽２へと供給され、第２還流路３８２を介して貯溜タンク３６へと戻される。また、他の一部は、第１還流路３０２を介して液体噴射ノズル３３１へと戻され、液体噴射ノズル３３１から混合容器３２内へと噴射される。気体溶解部３では、制御部７により、液体噴射ノズル３３１からの培養液９１の噴射時間や噴射量が記録されており、所定時間または所定量の培養液９１が噴射された後に、第１ポンプ３７１が制御されることにより、液体噴射ノズル３３１からの培養液９１の噴射が停止される（ステップＳ１２）。上述のように、酸素は窒素に比べて培養液９１に溶けやすいため、混合容器３２内の空気は、通常の大気よりも酸素の割合が少ない状態となっている。
【００３９】
続いて、制御部７により気体供給部３４の電磁弁３４４が制御されることにより、混合容器３２内への空気の供給が開始される。加圧溶解部３１では、空気の供給が所定時間継続されることにより、混合容器３２内に残存する空気（すなわち、通常の大気よりも酸素濃度が低い空気）および培養液９１が、混合容器３２から排出路３０１を介して貯溜タンク３６へと排出される。また、混合容器３２内には、混合容器３２外部の新たな空気が充填され、混合容器３２内の酸素濃度は、通常の大気の酸素濃度と同等となる（ステップＳ１３）。その後、制御部７により電磁弁３４４が制御されることにより、気体供給部３４から混合容器３２内への空気の供給が停止される（ステップＳ１４）。
【００４０】
そして、ステップＳ１１に戻って、排出路３０１から貯溜タンク３６へと排出された培養液９１の一部が液体噴射ノズル３３１へと戻され、混合容器３２内への培養液９１の噴射が再度開始される。水耕栽培装置１では、ステップＳ１１〜Ｓ１４が繰り返されることにより、溶存酸素濃度が高い培養液９１を効率良く生成することができる。本実施の形態では、貯溜タンク３６に貯溜される培養液９１には、大気圧下における培養液に対する酸素の溶解度の約１．５倍の酸素が溶解している。また、通常の空気を利用して溶存酸素濃度が高い培養液９１を容易に生成することができる。
【００４１】
混合容器３２から排出された培養液９１は貯溜タンク３６に貯溜され、貯溜タンク３６から図１に示す定植水槽２に供給される。貯溜タンク３６において、溶存酸素濃度が高い培養液９１を一時的に貯溜することにより、混合容器３２からの培養液９１の排出量を定植水槽２への培養液９１の供給量に合わせる必要がないため、加圧溶解部３１の設計の自由度を向上することができる。また、定植水槽２においても、培養液９１中の溶存酸素濃度は十分に高い状態で維持されるため、定植水槽２に定植される植物の成長が促進される。
【００４２】
水耕栽培装置１では、定植水槽２へと供給された培養液９１を第２循環路３８を介して貯溜タンク３６へと戻すことにより、培養液９１を効率良く使用することができる。さらに、通常の培養液よりも溶存酸素濃度が高い培養液９１を貯溜タンク３６を介して混合容器３２へと戻すことになるため、混合容器３２において、培養液９１の溶存酸素濃度を所望の濃度まで迅速に上昇させることができる。
【００４３】
加圧溶解部３１では、混合容器３２が上下方向に積層される第１流路３２１および第２流路３２２（図４参照）を備えることにより、培養液９１に十分な量の酸素を溶解させるための流路長を確保しつつ混合容器３２を小型化することができる。なお、第１流路３２１および第２流路３２２は、必ずしも上下方向に積層される必要はなく、各流路における混合流体の流れる方向が同じになるように、階段状に配置されてもよい。また、流路の数も２つには限定されず、様々に変更されてよい。
【００４４】
水耕栽培装置１では、加圧溶解部３１において、加圧環境下にて培養液９１の噴射が行われることにより、培養液９１の温度が上昇する。一方、植物の成長を促進させるという観点からは、植物の定植初期は高温（レタスの場合であれば、２５〜２８℃）の培養液９１が供給されることが好ましく、生育後半は低温（レタスの場合であれば、１５℃〜２０℃）の培養液９１が供給されることが好ましい。
【００４５】
そこで、水耕栽培装置１では、定植水槽２に設けられた温度センサ６により、定植水槽２内の培養液９１の温度が測定されて制御部７へと出力され、制御部７により、温度センサ６からの出力に基づいて気体溶解部３の稼動率が変更される。具体的には、温度センサ６から出力される温度が所望の設定温度よりも低い場合、培養液９１の温度を上昇させるために、気体溶解部３においてステップＳ１１〜Ｓ１４が連続的に繰り返される。すなわち、気体溶解部３が連続的に稼働され、気体溶解部３の稼動率が１００％とされる。
【００４６】
また、温度センサ６から出力される温度が所望の設定温度よりも高い場合、培養液９１の温度を低下させるために、気体溶解部３においてステップＳ１４とステップＳ１１との間に所定の待機時間が設けられる。例えば、気体溶解部３を５分間稼働させた後、５分間停止することが繰り返される。換言すれば、水耕栽培装置１では、気体溶解部３が間欠的に稼働され、稼動率は１００％未満（例えば、５０％）とされる。このように、気体溶解部３の稼動率が変更されることにより、加熱装置や冷却装置を利用することなく、あるいは、加熱装置や冷却装置の使用を抑制しつつ、培養液９１の温度を容易に制御することができる。また、貯溜タンク３６内の培養液９１の温度を容易に均一とすることができるため、定植水槽２に供給される培養液９１の温度を一定に維持することができる。水耕栽培装置１では、定植水槽２内の培養液９１の温度を植物の生育状態に合わせて適切に制御することにより、植物の成長を促進することができる。
【００４７】
なお、気体溶解部３の稼動率の変更は、必ずしも気体溶解部３の連続稼働と間欠稼働の切替により行われる必要はなく、例えば、気体溶解部３を連続稼働した状態で、制御部７により第１ポンプ３７１の出力が制御されることにより、液体噴射ノズル３３１からの培養液９１の噴射量、すなわち、混合容器３２から貯溜タンク３６に排出される培養液９１の量が変更されることにより行われてもよい。
【００４８】
水耕栽培装置１では、温度センサ６が定植水槽２に設けられることにより、定植水槽２内の培養液９１の温度の制御を正確に行うことができる。なお、温度センサ６は、定植水槽２以外の部位、例えば、貯溜タンク３６に設けられてもよい。この場合、貯溜タンク３６内の培養液９１の温度と定植水槽２内の培養液９１の温度との関係を予め把握しておき、定植水槽２内の培養液９１が所望の温度となるように、貯溜タンク３６内の培養液９１の温度が制御される。
【００４９】
図６は、減圧ノズルの他の例を示す断面図である。図６に示す減圧ノズル３５ａは、混合容器３２から排出された溶存酸素濃度が高い培養液を、貯溜タンク３６に貯溜されている培養液９１（図４参照）中に噴出することにより、貯溜タンク３６の培養液９１中に酸素等の微細気泡（直径が１μｍ未満の微細気泡であるナノバブル）を生成する微細気泡生成ノズルである。
【００５０】
減圧ノズル３５ａは、排出路３０１から培養液が流入する培養液流入口３５１、および、貯溜タンク３６に向かって開口する培養液噴出口３５２を備える。培養液流入口３５１および培養液噴出口３５２はそれぞれ略円形であり、培養液流入口３５１から培養液噴出口３５２に向かうノズル流路３５０の流路断面も略円形である。
【００５１】
減圧ノズル３５ａは、培養液流入口３５１から培養液噴出口３５２に向かって順に連続して配置される導入部３５３、テーパ部３５４および喉部３５５を備える。導入部３５３では、流路面積は、ノズル流路３５０の中心軸Ｊ１方向の各位置においてほぼ一定である。テーパ部３５４では、培養液の流れる方向に向かって（すなわち、下流側に向かって）流路面積が漸次減少する。テーパ部３５４の内面は、ノズル流路３５０の中心軸Ｊ１を中心とする略円錐面の一部である。当該中心軸Ｊ１を含む断面において、テーパ部３５４の内面の成す角度αは、１０°以上９０°以下であることが好ましい。
【００５２】
喉部３５５は、テーパ部３５４と培養液噴出口３５２とを連絡する。喉部３５５の内面は略円筒面であり、喉部３５５では、流路面積はほぼ一定である。喉部３５５における流路断面の直径は、ノズル流路３５０において最も小さく、喉部３５５の流路面積は、ノズル流路３５０において最も小さい。喉部３５５の長さは、好ましくは、喉部３５５の直径の１．１倍以上１０倍以下であり、より好ましくは、１．５倍以上２倍以下である。なお、ノズル流路３５０では、喉部３５５において流路面積が僅かに変化する場合であっても、流路面積がおよそ最も小さい部分全体が喉部３５５と捉えられる。
【００５３】
減圧ノズル３５ａは、また、喉部３５５に連続して設けられ、培養液噴出口３５２の周囲を培養液噴出口３５２から離間して囲む拡大部３５７、および、拡大部３５７の端部に設けられた拡大部開口３５８を備える。培養液噴出口３５２と拡大部開口３５８との間の流路３５９は、培養液噴出口３５２の外部に設けられた流路であり、以下、「外部流路３５９」という。外部流路３５９の流路断面および拡大部開口３５８は略円形であり、外部流路３５９の流路面積はほぼ一定である。外部流路３５９の直径は、喉部３５５の直径（すなわち、培養液噴出口３５２の直径）よりも大きい。以下の説明では、拡大部３５７の内周面の培養液噴出口３５２側のエッジと培養液噴出口３５２のエッジとの間の円環状の面を、「噴出口端面３５２１」という。本実施の形態では、ノズル流路３５０および外部流路３５９の中心軸Ｊ１と噴出口端面３５２１との成す角度は約９０°である。また、外部流路３５９の直径は１０ｍｍ〜２０ｍｍであり、外部流路３５９の長さは、外部流路３５９の直径におよそ等しい。減圧ノズル３５ａでは、培養液流入口３５１とは反対側の端部に、凹部である外部流路３５９が形成され、当該凹部の底部に、当該底部よりも小さい開口である培養液噴出口３５２が形成されている、と捉えられる。拡大部３５７では、培養液噴出口３５２と貯溜タンク３６との間における流路面積が拡大される。
【００５４】
減圧ノズル３５ａでは、培養液流入口３５１からノズル流路３５０に流入した培養液が、テーパ部３５４において徐々に加速されつつ喉部３５５へと流れ、喉部３５５を通過して培養液噴出口３５２から噴流として噴出される。喉部３５５における培養液の流速は、好ましくは秒速１０ｍ〜３０ｍであり、本実施の形態では、秒速約２０ｍである。喉部３５５では、培養液の静圧が低下するため、培養液中の酸素等の気体が微細気泡として液中に析出する。微細気泡は、培養液と共に拡大部３５７の外部流路３５９を通過して、貯溜タンク３６中の培養液９１中へと拡散する。減圧ノズル３５ａでは、培養液が外部流路３５９を通過する間にも、微細気泡の析出が生じる。減圧ノズル３５ａにて生成される微細気泡は、直径が１μｍ未満のいわゆるナノバブルである。なお、減圧ノズル３５ａからの培養液および微細気泡の噴出が停止されている場合、外部流路３５９は培養液９１により満たされる。
【００５５】
このように、減圧ノズル３５ａにより、第１循環路３０を循環する培養液９１を貯溜タンク３６の培養液９１中に噴出することにより、酸素等の微細気泡、特に、直径が１μｍ未満の微細気泡（ナノバブル）を安定して大量に生成することができる。そして、酸素の微細気泡を含んだ培養液９１を定植水槽２に供給することにより、定植水槽２に定植された植物の成長を促進することができる。また、減圧ノズル３５ａでは、加圧液噴出口３５２の周囲を囲む拡大部３５７が設けられることにより、貯溜タンク３６内における培養液９１の流れが、加圧液噴出口３５２から噴出された直後の培養液に対して影響を与えることを抑制することができる。これにより、加圧液噴出口３５２からの噴出直後の培養液においても、ナノバブルの析出が安定して行われるため、ナノバブルをより安定して大量に生成することができる。なお、減圧ノズル３５ａにより、直径が１μｍ以上１ｍｍ未満の微細気泡（いわゆる、マイクロバブル）が生成されてもよい。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る水耕栽培装置１ａについて説明する。図７は、水耕栽培装置１ａの構成を示す図である。水耕栽培装置１ａでは、図１に示す水耕栽培装置１から貯溜タンク３６が省略される。その他の構成は、図１に示す水耕栽培装置１と同様であり、以下の説明では、対応する構成に同符号を付す。
【００５７】
図７に示す水耕栽培装置１ａでは、混合容器３２から排出された培養液９１が、排出路３０１を介して定植水槽２に供給されて貯溜される。定植水槽２の排液部２１から排出された培養液９１は、ポンプ３７１ａにより、還流路３８２ａを介して加圧溶解部３１の液体噴射ノズル３３１へと戻される。排出路３０１および還流路３８２ａはそれぞれ、培養液９１が循環する循環路３０ａの一部であり、定植水槽２は、混合容器３２から排出される培養液９１を循環路３０ａ上にて貯溜する貯溜部の役割を果たす。
【００５８】
水耕栽培装置１ａでは、第１の実施の形態と同様に、図５に示すステップＳ１１〜Ｓ１４が繰り返されることにより、溶存酸素濃度が高い培養液９１を効率良く生成することができる。また、定植水槽２に設けられた温度センサ６により、定植水槽２内の培養液９１の温度が測定されて制御部７へと出力され、制御部７により、温度センサ６からの出力に基づいて気体溶解部３の稼動率が変更される。これにより、培養液９１の温度を容易に制御することができる。
【００５９】
水耕栽培装置１ａでは、貯溜タンク３６を省略することにより、水耕栽培装置１ａの構成を簡素化することができる。一方、第１の実施の形態に係る水耕栽培装置１では、貯溜タンク３６において培養液９１の栄養分の濃度や酸素の溶解量等を容易に管理することができ、定植水槽２に供給される培養液９１の状態を容易に所望の状態とすることができる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【００６１】
例えば、加圧溶解部３１では、液体噴射ノズル３３１の噴射口の全体が、第１流路３２１内の培養液９１の液面よりも下側に位置してもよい。これにより、上述と同様に、第１流路３２１内において、液体噴射ノズル３３１から噴出された直後の培養液９１が、第１流路３２１内を流れる培養液９１に直接衝突する。
【００６２】
また、実施の形態では、生物を育てるための生物育成装置の一例として水耕栽培装置について説明したが、植物以外の生物に適用してもよい。例えば植物を魚介類に置き換え、定植水槽２を魚介類を育てる養殖水槽に置き換え、培養液９１を海水や淡水に置き換え、制御部７によって魚介類の生育環境に適した温度および酸素濃度を有する海水や淡水を生成するよう制御して養殖水槽に供するように構成してもよい。
【００６３】
上述の混合容器３２、気体供給部３４、液体噴射部３３、減圧ノズル３５、第１循環路３０、貯溜タンク３６および制御部７を少なくとも備える装置は、液体に気体を溶解させる気体溶解装置として、生物育成装置以外の装置に利用されてもよい。また、当該気体溶解装置では、溶解度が異なる複数の気体を含む様々な混合気体が気体供給部３４により混合容器３２内に供給され、液体噴射部３３から混合容器３２内に噴射される培養液以外の様々な液体への当該混合気体の溶解が行われてよい。
【００６４】
上記実施形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。
【符号の説明】
【００６５】
１，１ａ    水耕栽培装置
２    定植水槽
３    気体溶解部
７    制御部
３０    第１循環路
３０ａ    循環路
３２    混合容器
３３    液体噴射部
３４    気体供給部
３５，３５ａ    減圧ノズル
３６    貯溜タンク
３８    第２循環路
９１    培養液
３０１    排出路
３２１    第１流路
３２２    第２流路
Ｓ１１〜Ｓ１４    ステップ
【図１】
0005892744.tif 000002
【図２】
0005892744.tif 000003
【図３】
0005892744.tif 000004
【図４】
0005892744.tif 000005
【図５】
0005892744.tif 000006
【図６】
0005892744.tif 000007
【図７】
0005892744.tif 000008