気体溶解装置、生物育成装置および気体溶解方法

【課題】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。
【解決手段】水耕栽培装置では、空気が充填された混合容器32内に液体噴射ノズル331から培養液91が噴射され、加圧環境下にて培養液91に空気が溶解する。そして、所定時間後または所定量噴射後に培養液91の噴射が停止される。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。続いて、気体供給部34により混合容器32内への空気の供給が開始され、混合容器32内に残存する空気および培養液91が排出される。混合容器32内には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と同等となる。水耕栽培装置では、混合容器32から排出された培養液91を液体噴射ノズル331へと戻しつつ上述の工程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。

【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、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、前記混合容器からの液体を前記液体噴射部へと戻す循環路と、前記循環路上に設けられ、前記混合容器から排出される液体の少なくとも一部を貯溜する貯溜部と、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、前記排出路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)前記混合容器内に前記混合気体を供給することにより、前記混合容器内に残存する気体および液体を前記混合容器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充填する工程と、d)前記排出路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1または2に記載の気体溶解装置であって、前記混合気体が、空気である。
【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、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)前記混合容器内に前記混合気体を供給することにより、前記混合容器内に残存する気体および液体を前記混合容器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充填する工程と、d)前記混合容器から排出される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(N)および酸素(O)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

【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、
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、
前記混合容器からの液体を前記液体噴射部へと戻す循環路と、
前記循環路上に設けられ、前記混合容器から排出される液体の少なくとも一部を貯溜する貯溜部と、
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、前記排出路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)前記混合容器内に前記混合気体を供給することにより、前記混合容器内に残存する気体および液体を前記混合容器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充填する工程と、
d)前記排出路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1または2に記載の気体溶解装置であって、
前記混合気体が、空気であ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、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)前記混合容器内に前記混合気体を供給することにより、前記混合容器内に残存する気体および液体を前記混合容器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充填する工程と、
d)前記混合容器から排出される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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2013−39500(P2013−39500A)
【公開日】平成25年2月28日(2013.2.28)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−176248(P2011−176248)
【出願日】平成23年8月11日(2011.8.11)
【出願人】(000000309)IDEC株式会社 (188)
【Fターム(参考)】