B l spos i t i f d ' i rr i g at i on c omport ant un e bo ute i l l e et u n bou c ho n régu l ateur
Cette invention concerne un appareil pour irriguer les plantes de façon contrôlable. Il libère des gouttes d'eau dans le sol pour des durées de quelques heures jusqu'à plusieurs semaines. Cet appareil peut s'utiliser à l'intérieur et à l'extérieur. L'arrosage conventionnel avec un arrosoir manuel est souvent trop intense.
L'eau n'a pas le temps de bien s'infiltrer dans le sol et il devient nécessaire d'arroser à plusieurs reprises pour laisser le temps à l'eau d'imprégner le sol correctement. L'arrosage conventionnel favorise la croissance des mauvaises herbes en surface et gaspille beaucoup d'eau par ruissellement et par évaporation.
Les appareils d'irrigation automatiques utilisant par exemple des cônes poreux en matières céramiques ou bien des mèches de transfert capillaire en matières textiles comportent aussi plusieurs désavantages. Ces systèmes tendent à se contaminer par des algues, des bactéries et des champignons. Le débit d'irrigation de ces systèmes diminue avec le temps en fonction de la hauteur d'eau restant dans leurs réservoirs. Ces systèmes ne permettent pas à l'air de bien atteindre les racines car ils ne font pas de pauses d'irrigation. Ces systèmes ne permettent pas non plus d'ajuster le débit d'irrigation et perturbent le sol et les racines à chaque installation. Le problème le plus difficile à surmonter est d'obtenir un débit d'irrigation très faible et contrôlable sur de longues périodes de temps. Les mécanismes de restriction de l'écoulement par un micro-orifice ne donnent pas de bons résultats et demandent de percer une entrée d'air dans le haut de la bouteille. De plus les micro-orifices se contaminent, se bouchent et se dérèglent très facilement. Le dispositif décrit dans cette demande libère l'eau selon un système de goutte à goutte. L'irrigation goutte à goutte demande moins d'eau, prévient l'érosion du sol et permet de livrer à la plante des engrais et des médicaments solubles sans aucune perte par ruissellement.
La figure 1 montre la bouteille (4) remplie d'eau, le bouchon modifié (1) incorporant un piquet (26) placée goulot vers le bas dans la terre (6) ou dans un cône d'interface (2) mis dans le pot (5).
Le dispositif permet l'entré d'air dans la bouteille et la sortie d'eau sans percer de trou dans la bouteille. La tension de surface de l'eau est utilisée pour
créer une valve d'entrée d'air et une valve de sortie d'eau. Ces deux valves ne comportent pas de pièce d'ouverture. Plus le trou est petit plus forte est la pression de résistance par la tension de surface.
Le débit de ce dispositif ne décroît pas en fonction de la hauteur d'eau H2 dans la bouteille. Entre le point d'entrée d'air (8) et la surface de l'eau (22) la pression interne dans l'eau diminue progressivement sans influencer le débit d'irrigation obtenu.
Un bouchon modifié (1) est connecté à une bouteille (4) remplie totalement ou partiellement d'eau. Le bouchon modifié (1) comporte un canal d'écoulement (10) et une entrée d'air (8).
La tension de surface à l'interface eau / air crée une membrane (27) voir figure 11, qui retient la goutte d'eau au bout du conduit d'écoulement (10) et une membrane semi-hémisphérique (17) qui empêche l'entrée de l'air à l'orifice (8). La tension de surface ne varie pas significativement. La taille des deux trous détermine la pressions de retenue. Même si ces deux trous sont toujours ouverts l'eau ne s'écoule pas sans une action motrice extérieure. Le diamètre des trous de 1 à 3 mm environ permet aux petites particules de contamination de s'extraire naturellement sans boucher le système. Les micro-organismes du sol ne pénètrent pas dans la bouteille car il ne sont pas en contact direct.
L'action motrice du système provient d'abord de la pression statique due au décalage de hauteur H1 entre la base du trou d'entrée d'air (8) et la pointe du conduit d'écoulement (11) .
Cette pression statique constante est donnée par la formule
= p x g x H1 ou p est la densité du liquide, g l'accélération gravitationnelle et H1 le décalage de hauteur. Par exemple le décalage H1 entre le trou d'aspiration et l'ouverture d'égouttement peut être de 0,5 mm à 25 mm.
L'action motrice vient aussi des changements d'état de l'air (21) emprisonné dans la bouteille. Sous l'action des cycles climatiques ce volume d'air prend de l'expansion lorsque sa température augmente et lorsque la pression barométrique diminue. Ce volume d'air (21) se contracte lorsque la température baisse ou lorsque la température diminue.
Le système d'irrigation fonctionne selon deux modes d'écoulements :
1 - Mode continu et à débit constant de quelques heures à une journée (mode rapide) lorsque le décalage H1 crée une pression statique dépassant la pression de retenue des deux orifices. Dans ce cas l'écoulement de l'eau en goutte à goutte et l'aspiration de l'air (16) ne dépend pas du volume d'air ou d'eau à l'intérieur de la bouteille. Le débit ajustable est proportionnel au décalage H1 et à la taille des ouvertures. Ce mode est idéal pour livrer une quantité d'eau en quelques heures à une plante en pot ou à une plante d'extérieur avec des débits variants de 0.05 à 1 litre par heure. Ce débit goutte à goutte contrôlé permet au sol d'absorber l'eau en profondeur et sans ruissellement. Par exemple avec H1 ajusté afin de dépasser la résistance des orifices on obtient cette courbe d'arrosage constant :
débit d'irrigation en mode rapide
5 6 7 8 9 10 11 Durée ( heure)
2 - Mode barométrique retardé : lorsque la pression P1 ne dépasse pas la pression de retenue des deux orifices le système semble arrêté et on ne voit pas toujours d'écoulement. Dans ce mode de fonctionnement en longue durée on doit laisser au départ un volume d'air captif (21) dans la bouteille. Par exemple on laisse 400 ml d'air dans une bouteille de 2 litres. L'écoulement très lent est obtenu
par l'action motrice des changements climatiques. La baisse de température le soir fait se contracter l'air captif (21) et aspire des bulles d'air (16) qui remontent dans la bouteille (4). Chaque bulle d'air (16) s'ajoute au volume d'air captif (21). La hausse de température le matin fait sortir des gouttes d'eau (18). Les cycles de variations de la pression barométriques et l'évaporation par les membranes (17) et (27) créent aussi des événements d'aspirations et d'égouttements. Le débit moyen d'irrigation obtenu augmente donc progressivement de jour en jour en fonction du volume croissant d'air captif (21) jusqu'à ce que la bouteille se soit entièrement vidée. En moyenne à chaque jour un volume d'eau représentant un pourcentage du volume d'air captif (21) est libéré. Le débit moyen obtenu en mode barométrique suit une courbe exponentielle croissante reliée au volume d'air captif (21 ). Ce système cyclique permet à l'air de bien pénétrer dans le sol car des pauses d'irrigation se produisent régulièrement dans la journée selon une fonction reliée aux cycles climatiques. Ce mode d'irrigation automatique très lent peut durer de quelques jours jusqu'à environ un mois selon la configuration des orifices, le volume d'air et le volume de la bouteille.
Par exemple on peut obtenir une courbe moyenne d'irrigation sur 21 jours comme représenté sur cette courbe.
Débit d'irrigation moyen
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 durée (jours)
II est avantageux que le débit du système soit réduit au départ car on peut arroser et saturer le sol lors de l'installation du dispositif. On évite ainsi d'irriguer excessivement ce qui peut nuire à la plante en plus de gaspiller l'eau. Le décalage H1 permet de déterminer l'échelon de variation de pression minimum pour lequel le système passera d'un événement d'aspiration (16) à un égouttement d'eau (18). Avec un ajustement plus court du décalage H1 le système résiste à un échelon de variation de pression plus grand avant l'ouverture à l'écoulement ou à l'aspiration. Le contrôle du décalage H1 est le moyen le plus pratique pour ajuster la sensibilité aux cycles climatiques. On pourrait aussi changer la taille du trou (8) ou de l'ouverture du conduit (10) mais avec plus de difficultés.
On ajuste l'échelon de pression d'activation avec le pointeau (figure 13) et le volume initial d'air (21) dans la bouteille (4) afin d'obtenir la bonne courbe moyenne d'irrigation. Selon l'environnement, par exemple à l'extérieur ou à l'intérieur, exposé au soleil ou non exposé on doit ajuster l'échelon de sensibilité.
Un climat très stable prolonge légèrement la période d'irrigation en réduisant le débit. Au contraire un climat très instable réduit la période d'irrigation en accélérant le débit. Expérimentalement nous avons constaté que l'arrosage de ce dispositif satisfait aux besoins de la plante et qu'une stabilité climatique totale arrêtant l'irrigation ne se produit jamais. Les réserves d'humidité dans le sol et les réserves de la plante temporisent favorablement les variations climatiques. L'arrosage plus abondant à la fin permet à la plante de bien résister encore plusieurs jours après la période d'irrigation. L'intervention périodique de l'utilisateur par exemple à chaque mois est suffisante pour équilibrer l'arrosage.
On peut aussi combiner deux dispositifs pour couvrir une période irrigation plus longue. Par exemple on peut mettre 1.5 litres d'eau et laisser 500 ml d'air au départ dans le premier appareil et mettre 1.875 litres d'eau et laisser seulement 125 ml d'air dans le deuxième dispositif installé avec les mêmes ajustements de pointeau dans le même pot. Le dispositif numéro 1 avec ses 500 ml d'air captif se videra suivant une courbe exponentielle reliée au volume d'air captif jusqu'à s'être entièrement vidé après 21 jours. Le deuxième appareil continuera d'irrigué après
avoir très peu irrigué durant les trois premières semaines.
Le deuxième dispositif aura aspiré très lentement un volume d'air captif jusqu'à avoir lui aussi un volume de 500 ml d'air captif. Le départ très lent du deuxième dispositif ne dérange pas la plante car elle est suffisamment irriguée par le premier dispositif. La fonction d'irrigation totale avec deux appareils comporte alors une pause après 21 jours et une deuxième pointes d'irrigations à 42 jours tel que représenté sur le graphique.
La combinaison de plusieurs dispositifs permet ainsi de prolonger la période totale d'irrigation à plusieurs semaines.
Débit d'irrigation journalier sur 42 jours avec deux dispositifs avec ajustement décalé
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43
Durée (jours) — θ— dispositif 1 — O— dispositif 2 — K— irrigation totale
Un cône (2) avec des ouvertures dans le bas (3) est placé en permanence dans le sol (6) pour faciliter l'insertion du dispositif et éviter de perturber le sol et les racines. La forme intérieure du cône s'adapte à la forme extérieure du piquet (26). L'eau (18) s'égoutte alors dans le cône et pénètre profondément dans le sol par des ouvertures (3). Ce cône reste dans le sol après l'utilisation du système. La surface du sol reste ainsi plus sèche et moins propice à la croissance des
herbes envahissantes. On ne retire ainsi pas de terre en retirant le piquet du dispositif.
On peut connecter une tubulure pour éloigner la réserve d'eau principale du dispositif d'égouttement. On laisse alors une mini bouteille sur le bouchon modifié et on connecte une plus grande réserve avec un conduit assez gros pour laisser remonter l'air ou bien avec un conduit pour l'air et un conduit pour l'eau.
Les pièces du dispositif seront normalement fabriquées en plastique injecté.
Les dessins annexés illustrent l'invention :
Figure 1 : système installé dans un pot à fleur (5) Figure 2 : bouteille (4)
Figure 3 : cône creux (2) avec ouvertures d'écoulement (3)
Figure 4 : bouchon (1) avec entré d'air (8) et conduit d'écoulement (10)
Figure 5 : bouchon (1) avec piquet (26) vu en élévation
Figure 6 : vue en section X-X du piquet (26) Figure 7 : bouchon vu du dessus
Figure 8 : bouchon (1) spécial avec piquet (26) vu en coupe
Figure 9 : Conduit d'écoulement coulissant (24)
Figure 10 : vue en coupe conduit coulissant (24) dans un bouchon avec cavité (25) Figure 11 : vue en coupe du système avec bouteille (4) , l'eau (15), le pointeau à filet (20)
Figure 12 : vue d'ensemble en de la bouteille (4), l'eau (15) , l'air captif (21 ) avec le bouchon-piquet (1) en position verticale
Figure 13 : pointeau (12) avec molette (13) Figure 14 : section du pointeau avec molette en position dans le bouchon.
Le dispositif consiste en l'assemblage d'une bouteille (4) relié à un bouchon spécial (1) comportant un conduit d'égouttement (10) et une ouverture d'aspiration (8) permettant à l'air d'entrer dans la bouteille. Le bouchon spécial (1) peut aussi comporter un piquet (26) ou des pattes servant au support de l'ensemble. On peut aussi suspendre la bouteille au- dessus du sol avec un harnais en corde à la place du piquet.
La bouteille (4) sera préférablement une bouteille de plastique réutilisée
d'un volume commun de 0,33 litres à 2 litres.
Le bouchon enferme le volume et maintient liaison avec la bouteille par des filets (9) ou par d'autres moyens d'attaches. La bouteille est retenue par son goulot (7) ou par un adaptateur de connexion quelconque. Le bout du conduit d'égouttement (10) sera préférablement coupé en biseau à son extrémité (11) afin de mieux évacuer les gouttes d'eau (18).
Le dispositif peut être à débit unique avec une hauteur de décalage H1 fixe et des tailles d'ouvertures (8) et (10) fixes tel que représenté à la figure 4.
Le conduit d'égouttement (10) peut être constitué d'une pièce séparée (24) coulissant et maintenue dans une ouverture (25) du bouchon (1 ) avec la possibilité d'ajustement du décalage H1 par glissement tel que représenté à la figure 9 et 10.
Le canal d'égouttement constitué avec une pièce séparée (24) peut comporter des filets (15) comme un pointeau permettant l'ajustement de décalage H1 par des rotations avec un tournevis tel que représenté à l'item (20) de la figure 11.
Le pointeau d'égouttement ajustable avec des filets (15) peut comporter une extension tubulaire (12) comportant une molette (13) tel que représenté à la figure 13 et 14. Le système vu en coupe dans la figure 14 permet d'ajuster la hauteur H1 avec la molette. La molette (13) est immergée à l'intérieur de la bouteille et accessible lorsque la bouteille est enlevée. Des ouvertures (14) dans l'extension tubulaire équilibrent la pression pour éviter de créer de l'aspiration d'air par l'extension verticale du tube d'égouttement. Au moins une dent de filet (27) sur le bouchon (1) guide la hauteur du pointeau.
Ce système ajustable peut ainsi irriguer à régime continue avec un grand décalage H1 pour obtenir des débits goutte à goutte constants et ajustables de 0.05 à 1 litre par heure.
Il peut aussi irriguer en mode lent durant plusieurs semaines en régime exponentiel avec un décalage H1 court et en laissant un volume d'air initial (21) dans la bouteille (4). Le débit d'irrigation goutte à goutte moyen obtenu en mode lent découle des variations climatiques.
Pour prolonger la période d'irrigation on peut placer deux dispositifs ou plus avec chacun des courbes d'arrosage décalées.