一种垂直水耕栽培设备的制作方法

本发明涉及一种垂直水耕栽培设备。

背景技术：

水耕栽培法相较于传统土耕栽培法有几点优势:第一，水耕法比土耕有更高的产能，水耕能随时精准调整营养比例，以确保目标作物在各生长阶段时皆能最有效地获取所需营养，从而达到产能最大化。第二，水耕法能够被运用在许多不适宜土耕栽培的地点，即使身居都市丛林或土壤贫瘠之地，仍可全年栽培各种蔬菜及水果。第三，大大降低了各种土传虫害及病害发生的机率，从而提升了最终产量。第四，水耕法所需求的耕地面积更少，也不存在杂草，自动化的操作设置亦能降低劳动、维运等成本。

一般常见的水耕栽培系统大多数是以水平式的配置为主，仍然需要接近于土耕法的种植面积，dwc(deepwaterculture；float深水式栽培或浮筏式)，或nft(nutrientfilmtechnique养液薄膜式或管耕)水耕系统皆是使用水平栽培床的配置。

dwc系统里，植物的根系被浸泡于装满营养液的容器或水池当中，当营养液浓度低于特定标准时，便会被更换或补充混和。dwc的缺点之一是由于根系始终浸泡于相对静止的液体中，难以得到足够的氧气来保持根系的健康与运作效率，所以需要靠持续破坏水体表面或打气马达通气来额外增加水体溶氧量。如果没有通气，根部过度浸水可能会易于腐烂，造成植株生长迟缓，产量降低。随着气温升高，水体溶氧量也会随之降低，通气设备的运作负载也必须升高。

nft系统，植物种植于加盖的狭长水槽或管道中，营养液仅浅浅流经管道底部，让根系的一部分能接触到水份并交织成毯状以保持湿润，而根系的上部则裸露于空气当中。根毯状的生长模式能随着植物成熟，有效率地吸收水、空气与营养，这是nft相较于其他水耕技术的主要优势。然而，随着植物生长，根系亦发展旺盛，水平式的管道空间会随着时间渐渐被根毯所阻塞，限制营养液水流的通过路径。此外，有许多栽培业者会在系统里添加对作物生长与根系发展有益的微生物添加剂，但这些微生物同时也会在管道内部的接触面形成生物膜，影响水流的通畅。

同时，若要在不造成管道内底部积水的情况下改变管道设计也相当困难。最后，大部分的nft系统的基本设计都使用部分栽培介质，如装载于栽培杯或栽培网盆内的发泡炼石或岩棉，然后放置于预先开好孔的管道上，一旦放置好后，整个系统便无法移动或难以运送。以上所述的水耕栽培系统，作物都是在水平面上生长，所以所使用的栽培面积仅比传统土耕栽培法略少一些，从这点上面来考量，水平式系统在人口密集的都市或单位土地成本较高的地点，并非很有效率的选择。

垂直水耕栽培系统能够藉由让作物栽培于同一垂直轴线上来提高栽培密度，达到节省空间的需求。垂直水耕栽培系统能够让栽培者在有限的空间里种植那些那些种植面积需求较大的作物，尤其是那些在传统栽培系统里，考量到操作成本较高且单位产能效率较低而被迫放弃的作物种类。许多垂直栽培系统只是单纯地将水平管道或种植浅盘多层堆栈，然后以中央配给的机制来输送营养液。这类的系统主要缺点依然是管道容易被根系所阻塞，需要频率高且繁琐的维护。这类的技术都无法做到许多栽培业者所期望的:从农场直接运送富含营养与口感、且正在生长中的活体蔬菜到销售端或末端消费者手里，专利号us7,055,282b2这种系统便是实例。

使用浅盘作为栽培容器的垂直水耕系统仍然需要做防雨盖板或外罩，否则系统裸露在户外开放空间时，雨水会将系统内的营养液浓度稀释掉。

美国专利u.s.pat.no.us8,327,582b2则是另一个例子，使用较新式的垂直水耕栽培系统，可让植物种于填满栽培介质的垂直生长管当中。不过，此设备的设计是让生长管内全部由栽培介质所填满，没有额外的呼吸通道，当植物根系生长到一定程度时，根系和植物本身代谢出的固体废弃物便会逐渐占去甚至阻断养分和氧气输送的空间，亦容易造成管内的厌氧区，厌氧区会导至根部缺氧乃至腐烂。这种情况可靠施放蚯蚓到系统中来避免，蚯蚓在清除介质中的腐败残根与其他有机废弃物的同时会为根系疏通出空间以利呼吸，但施放蚯蚓这种有机体作为帮手到封闭式循环的系统当中并不总是好的。这个系统是被设计来用于温室当中的，且下部需要配合沟槽来负责捕捉回收循环的营养液，这样的沟槽设计并不适用于有强风烈日干扰的户外开放环境中，在这种情况下集水沟槽内容易长藻类，且营养液在强风烈日下会加速蒸发。此外，若是在温室里，相对容易控制或处理蚊蚋等昆虫会利用集水沟槽来产卵的状况。

许多栽培者常会用有透明上盖的育苗盒来育新苗，待菜苗茁壮至足够强韧后再移植到水耕系统中稳定生长。这样的方式提供了稳定且高湿度的环境以利幼嫩的植物初期成长并生根，但这种操作方式既耗力又费时，且移植的过程可能会让菜苗受到环境变化的冲击导致发育迟缓，甚至死亡。一个能够精简掉这种两步骤的新操作模式，能够为业余和专业栽培者节省劳力与时间投入。

从科学实验的分析来看，根区栽培介质的密度能够显著影响植物的生长状况，根区需要氧气，被包覆于栽培介质中的根系所能获取到的氧气相比于没有介质包覆的根系要少得多，在没有足够的排水能力下，根系在厚重紧实的土壤介质中往往容易窒息。由于营养液能持续地由上往下流经根区且不会积水造成厌氧区，垂直栽培系统可以提供更优良的通气性，且根系吸收营养的效率更高，这样的系统，平均而言，营养吸收转化率更高，所以需要的添加的营养更少，而植物也由于能体验到旱涝交替，所以会刺激根系往更多地方发展从而提升整体长势。

技术实现要素：

本发明设计一种垂直水耕栽培设备，用以解决种植人员使用目前市面上之水耕设备或系统时所面临的限制与问题。本设备融合了水耕技术当中的滴灌种植法，能使种植人员有更多弹性去选择对其最理想的无土栽培技术，从而把作物的产能在时间周期内最大化，也让种植人员能充分运用垂直面来种植作物，以达到相较于传统的水平式作物栽培技术，更少的空间及硬件系统需求。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种垂直水耕栽培设备，包括一栽培管，栽培管包括一空心管，空心管内设有一腔室；空心管内通过分隔板分成一介质腔和对称分布在介质腔两侧的通气舱室，通气舱室和介质腔相导通；空心管上设有一开口和多角度延伸而成的复数侧面，开口设置在空心管的正面；开口处设有一植物种植面；开口的两侧设有多条凸部，凸部远离腔室的一侧设有凸起沟槽，凸部面向腔室的一侧设有多个第一凸齿，第一凸齿和分隔板之间形成一卡槽；两个卡槽内嵌入一固定锁片；空心管的背面为弹性开阖面。

作为优选的技术方案，空心管为多边形管状结构或者圆形结构；空心管的顶部设有一入口端，空心管的底部设有一出口端，入口端、出口端、开口均于腔室相导通。

作为优选的技术方案，种植面、凸起沟槽、卡槽均与空心管等长；凸起沟槽呈脊状结构。

作为优选的技术方案，介质腔内设置有介质纤维条；介质纤维条的尺寸与介质腔的空间尺寸相匹配。

作为优选的技术方案，分隔板、凸部均与和空心管为一体式的结构。

作为优选的技术方案，固定锁片面向第一凸齿的一侧设有多个第二凸齿，第二凸齿和第一凸齿相嵌并咬合。

作为优选的技术方案，空心管上开设有用以悬挂或架设栽培管的开孔。

本发明的有益效果是：本发明运用了滴灌水耕技术，使栽培者能有多配置上的灵活度，并结合多种无土栽培技术的特性，从而能在时间周期内为作物实现收成最大化，且使栽培者能充分利用到垂直面来种植作物，跟传统栽培方式比较，减少使用耕地面积达到60％以上。此发明还能让作物在原本不适宜耕作的地点高效率且永续地生长，且整个装置的成本较低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的总体结构图；

图2为本发明的栽培管的管身截面图；

图3为本发明安装有介质后的栽培管的管身截面图；

图4为本发明的俯视图；

图5为本发明的固定锁片的结构图；

图6为本发明的空心管的结构图；

图7为本发明的栽培管的局部结构图；

图8为本发明的背面的可开阖弹性设计图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“套接”、“连接”、“贯穿”、“插接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至8所示，包括一栽培管，栽培管包括一空心管1，空心管1内设有一腔室；空心管1内的腔室通过分隔板2分成一介质腔3和对称分布在介质腔两侧的通气舱室4，通气舱室4和介质腔3相导通，介质腔3负责装载夹着生长介质，通气舱室4用于提供植物根区氧气及通风；空心管1上设有一开口5和多角度延伸而成的复数侧面，开口设置在空心管1的正面；开口处设有一植物种植面。

本实施例中，开口的两侧设有多条凸部7，凸部7远离腔室的一侧设有凸起沟槽8，凸部面向腔室的一侧设有多个第一凸齿9，第一凸齿和分隔板2之间形成一卡槽9；两个卡槽内嵌入一固定锁片10；空心管的背面为弹性开阖面11，即为可弹性开阖的背面。

其中，空心管1为多边形管状结构或者圆形结构；空心管的顶部设有一入口端，空心管的底部设有一出口端，入口端、出口端、开口均于腔室相导通。

其中，种植面、凸起沟槽、卡槽均与空心管等长；凸起沟槽呈脊状结构，凸起沟槽起到拦截从种植正面喷溅出的营养液，然后营养液会再沿着凸起沟槽方向往下顺流回到底盖里再被系统回收利用；凸起沟槽与凸部为一体式的结构。

其中，介质腔内设置有介质纤维条12；介质纤维条12的尺寸与介质腔的空间尺寸相匹配。介质纤维条为用纤维状材质制作制作的单条或多条生长介质，其尺寸及大小可被介质层装载于其中，且材质与密度适合用来支持植物生长。

其中，分隔板2、凸部7均与和空心管1为一体式的结构。

其中，固定锁片10面向第一凸齿的一侧设有多个第二凸齿13，第二凸齿和第一凸齿相嵌并咬合，第二凸齿13和固定锁片10为一体式的结构。在栽培及采收时，可抽离固定锁片，让管身可展开以方便装载菜苗和卸载成熟的植株，当重新装载好菜苗并将栽培管设备吊挂好开始让植株生长时，固定锁片即可再插回卡槽中，以束紧管身，成为坚固的多边形结构，管身内部的两侧隔板则将管身内部切分成三个空间。

其中，空心管上设有用以悬挂或架设栽培管的开孔(未图示)，开孔位置可以在靠近管身顶端入口的侧面，或管身背面，或管身的架设面上，开孔的数量及大小视悬挂或架设的需求而定。

本设备由一个多边形的管身组成，当闭合时管身会呈现滑块以下情况：

正面的种植面，可弹性开阖的背面，和由多角度延伸而成的侧面。正面的种植面是与管身等长，通到后方管壁的连贯狭长开口，开口的宽度设计为方便人员种植及采收栽培介质中的作物，宽度会依作物的种类有所差异。

脊状沟槽从种植面的两侧突起，延伸与管身等长，材质亦与管身相同。脊状沟槽的功能设计用来拦截捕捉有时从种植面喷溅或溢流出来的营养液，脊状沟槽背面有齿状卡槽，其功能就是可用来咬合固定锁片，锁片可依情况需求被固定在管身正面的各个位置以形成更加坚固的闭合结构。

在具体实施中，当管身闭锁固定时，内部的分隔板会将管身内部切分为三个空间，分隔板从正面往管背面延伸至合适长度，分隔板的材质、厚度与空心管相同。

在具体实施中，由分隔板划分出的这三个空间里，最主要的中央空间为介质腔，在两片隔板之间，从种植正面一直到后方管壁都是介质层的范围，与管身等长的生长介质纤维材料会被填充在当中。生长介质的材质、密度、物理及化学特性皆适合作物之根系锚定与持续输送养分。栽培管身内的隔板设计让内部的生长介质无论垂直或水平或任何角度摆放时皆能被稳妥夹着固定。

在具体实施中，次要的空间为介质层两旁提供植物根系呼吸及通风降温的通气舱室。左右通气舱室大约各占管身内部的1/3的空间，外部由管壁所包围，内面与介质层的生长介质互通，随着作物的生长与成熟，根系可以穿过生长介质，伸展到通气舱室中以获取更多的新鲜氧气。

在具体实施中，栽培管设备会以垂直或接近垂直的方式被安装，会有单个或多个营养液喷嘴或滴灌头被安置在生长介质的顶端中央，让营养液能够平均地被分配滴流至整个介质当中，营养液会利用重力自然往下流经整条生长介质，部分会被植物根系捕捉并吸收，多余的营养液则会排流至管身底部，集中回流至排水管线中，再被重复利用。

在具体实施中，管身的顶端与底端可能会配有可移动的管盖，管盖上有开孔，可装配各式给水和排水管配件，视系统配置方式而定也或许完全不用管盖。若顶部有管盖，管盖上面应设有开孔以装配有利于输送营养液的滴灌或喷雾配件。管身底部加或不加底盖皆可，如果加底盖，底盖上也应设有开孔以装配有利于管身排水之管路配件。如不加底盖，管身底部应坐落固定于储水槽或其他能回收养液的容器中。

在具体实施时，垂直水耕栽培系统里除了栽培管设备这一主要部件外，还应包含单个或多个给水喷嘴或滴灌头；用来输送营养液的管路、软管、水管接头；一个或多个承装营养液的储水槽；和一个能够将营养液从储水槽运送到指定高度的机械手段(通常使用抽水马达)。系统运转前应先做好以下准备:栽培管设备内必须装载好生长介质纤维，且在合适的位置将植物种进纤维条当中；把管身的种植正面阖起并用锁片固定；把栽培管安装在水耕系统上并将给水与排水管配件组装妥当，以确保营养液能够在系统内顺畅循环。营养液透过滴灌或喷嘴从管身上方流入并往下滴流经生长介质内的植物根系。栽培管设备被设计制造为能让管身内部的生长介质无论垂直或水平或任何角度摆放时皆能被稳妥夹着固定。

本栽培管设备的养液配给方式可基本分为:由重力配给的系统或由动力直送的系统。两种系统的营养液都调配并存放于储水槽中，在重力配给的系统里，马达会放置在储水槽底部或与底部等高的位置，将营养液透过管路抽送到位于栽培管设备之上方的上水槽中，然后再藉由重力让营养液经管线自然分流到每根栽培管上的喷嘴或滴灌头中，营养液在流经生长介质中被根系吸收利用后剩余的会流到栽培管下方，由回水管集中回流到底部储水槽里。在动力直送的系统中，营养液会从底部的储水槽直接被马达抽送至栽培管上方的喷嘴或滴灌头中。

当前的发明设计能够很容易地被悬挂于各种高架结构上；可以固定在墙面上、柱子上或其他垂直支撑架构；或者用坚固的底座让管身固定直立，组合成落地式的系统。当前的发明设计能够运用在屋顶与阳台等业余爱好小范围园艺栽培，用作为装饰的垂直绿墙，也能够把数十或数百根栽培管配置于大规模温室内，无论室内或室外栽培皆可。

在具体实施案例中，栽培管设备会以垂直方式被悬挂于支撑结构上，可用挂勾、绳索或皮带与钩子，环绕过支撑架并钩在管身背后靠近上方预先开好孔的管壁上以稳定悬挂装载好了生长介质的栽培管。每根栽培管上都有滴灌头或喷嘴以确保营养液能够平均且顺畅地流入生长介质纤维，提供植物所需的养分及水分，离开栽培管的营养液会被管线收集回流到储水槽里直到再次被系统循环利用。

栽培管亦可被固定于垂直结构；无论是柱子、墙面或类似市面常见的使用铁管与托架组成的层架系统。

在另一具体实施案例中，栽培管也可被直立排列于有特殊固定底座结构的储水槽中，营养液可由动力直送到管身上方配置的给水配件如滴灌头等，养液往下流经生长介质后直接回到储水槽内。

此垂直水耕栽培用设备的设计可允许作物在采收前被轻松地移动，可将整个栽培管设备连着作物一起移动到其他地点继续进行生长、销售、展示或作采收前处理，如修剪、叶面施肥等等，且仍保持随时可以连接外部养液来源的能力，让作物在移动的过程里也能持续生长。此设计改进了作物必须采收、包装再运送的传统模式，使消费者能有从枝藤上现采蔬果和香草植物的体验。

此垂直水耕栽培用设备的制造并不昂贵，是以常见的pvc挤出成型技术为基础，且运用现有的pvc管生产设施实施制造。

本发明的有益效果是：本发明运用了滴灌水耕技术，使栽培者能有多配置上的灵活度，并结合多种无土栽培技术的特性，从而能在时间周期内为作物实现收成最大化，且使栽培者能充分利用到垂直面来种植作物，跟传统栽培方式比较，减少使用耕地面积达到60％以上。此发明还能让作物在原本不适宜耕作的地点高效率且永续地生长，且整个装置的成本较低。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。