(57)【要約】【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。【選択図】図１
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【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＝０．１ｍ２。Ｓ１＝０．０１ｍ２、Ｓ２＝０．０００１ｍ２、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／ｃｍ３）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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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