JP2004154087A - 循環式養液栽培装置 - Google Patents

Abstract

【課題】培養液の濃度、成分バランスが不適となった場合でも、作物生育への影響を最小限に抑えることができ、また、作物生理に応じた給液管理を実現することができ、更に、栽培マット内の水分状態を一定に保つことにより、作物養水分吸収最適化を図ることができる循環式養液栽培装置を提供する。
【解決手段】循環式養液栽培装置１において、日射強度が最高となる時刻との関係で基準時刻を自動設定し、この基準時刻前においては、新しい培養液を栽培マット５へ供給し、基準時刻後においては、循環液を栽培マット５へ供給するように構成した。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、栽培用培地へ培養液を供給することによって植物を栽培できるようにした養液栽培装置、特に、栽培用培地から流出した余剰の培養液を回収して再利用できるように構成した循環式養液栽培装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年では、栽培容器内へ培養液を供給することによって植物を栽培できるようにした装置（養液栽培装置）が広く実用に供されている。図３は、従来の基本的な養液栽培装置２１の構成図であり、図示されているように、この養液栽培装置２１は、所定量の培養液を貯留できるように構成された栽培容器２４内の栽培用培地２５に対象植物２６を定植し、ポンプ２３を制御することによって、培養液タンク２２から定期的に必要量の培養液を対象植物２６に供給するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の養液栽培装置２１においては、栽培用培地２５からの余剰の培養液（排液）は、何らの処理もされずに、排水手段２７から、そのまま系外（地下水系、下水系等）へと放出されるようになっていることが多いが、培養液には、各種の化学成分が含まれているため、地下水汚染、河川や海水の富栄養化の原因となるなど、周辺環境へ悪影響を及ぼす可能性があり、また、省資源化、経済性の観点からも問題がある。
【０００４】
そこで、最近では、図４に示すように、排液を回収して循環タンク２８に貯留し、この排液を再利用できるように構成した、再利用方式の養液栽培装置３１も開発されている。
【０００５】
しかしながら、図４に示すような再利用方式の養液栽培装置３１においては、循環タンク２８内の培養液の量が少なくなってきたら、新しい培養液が新液供給管２９を介して循環タンク２８に補充されるように構成されているため、培養液が循環を重ねるうちに、次第に培養液の養分濃度、成分バランスが不均衡となっていき、最終的には、栽培容器２４へ供給される培養液が、適性範囲を外れてしまう（培養液としての機能を十分に発揮でないような濃度、成分となってしまう）ことになるため、実際の運用時においては、適性範囲を外れてしまった培養液を系外へと放出せざるを得ず、周辺環境への悪影響という問題を完全に解決することはできない。
【０００６】
また、作物養水分吸収最適化の観点からは、栽培容器２４内の水分状態が一定に保たれるように構成することが望ましいと考えられるが、従来の養液栽培装置においては、毎回定量の培養液が供給されるように構成されているため、栽培容器２４内の水分状態を一定に保つことができるようには構成されていない。
【０００７】
更に、作物生理を考慮すると、日の出から日射強度が最高となる時刻までの時間帯が、作物養水分吸収が行われるうえで重要な時間帯であると考えられるが、従来の養液栽培装置においては、新しい培養液と排液を混合してなる循環液が対象植物２６に供給されるように構成されており、作物生理に応じた給液管理を行えるようには構成されていない。
【０００８】
本発明は、上記のような従来技術の問題を解決すべくなされたものであって、培養液の濃度、成分バランスが不適となった場合でも、特定の制御手法を適用することによって作物生育への影響を最小限に抑えることができ、また、作物生理に応じた給液管理を実現することができ、更に、栽培用培地内の水分状態を一定に保つことにより、作物養水分吸収最適化を図ることができるという、循環式養液栽培装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る循環式養液栽培装置は、栽培容器と、この栽培容器内に配設された栽培用培地と、栽培用培地へ培養液を供給する培養液供給手段と、栽培用培地から流出した余剰の培養液を回収する培養液回収手段と、制御手段とを有し、培養液供給手段が、制御手段による制御下において、新しい培養液（新液）と、培養液回収手段によって回収された余剰の培養液（循環液）のうちのいずれかを選択して栽培用培地へ供給できるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
尚、この循環式養液栽培装置においては、実施日の日射強度が最高となる時刻との関係で基準時刻を自動設定し、この基準時刻前においては、新液を栽培用培地へ供給し、基準時刻後においては、循環液を栽培用培地へ供給するように構成されることが好ましい。
【００１１】
また、循環液を栽培用培地へ供給しようとする際、即ち、基準時刻後に実行される給液の際、循環液の残量が十分でない場合には、その不足分が、新液によって補われるように構成されていることが好ましい。
【００１２】
基準時刻は、日射強度最高時刻の約１時間前の時刻（１時間前の時刻±１５分）に設定されることが好ましく、更に、実施日の日の出前においては、タイマー制御によって給液を行い、日中においては、積算日射量制御によって給液を行うように構成されていることが好ましい。
【００１３】
また、日中、積算日射量制御によって給液が行われる場合、所定時間が経過しても積算日射量が規定量に達していない場合には、強制的に給液が実行されるように構成することもできる。
【００１４】
更に、培養液回収手段によって回収された余剰の培養液は、濃度及び成分バランスが適性範囲内となるように自動調整されたうえで、再利用されるように構成することが好ましい。
【００１５】
また、栽培用培地から流出した余剰の培養液のＥＣ濃度及びｐＨが測定されるように構成し、培養液のｐＨが適正範囲から外れてしまった場合に、ｐＨ変動の原因が特定されるとともに、その特定された原因に応じて、適切な処方の未使用の培養液が栽培用培地へ供給されるように構成した場合には、栽培用培地内において培養液の成分バランスの不均衡が生じた場合でも、これを短時間で是正することができる。
【００１６】
更に、栽培用培地から流出した余剰の培養液のＥＣ濃度が測定されるように構成し、培養液のＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまった場合には、未使用の培養液が前記栽培用培地へ供給されるように設定されるとともに、その未使用の培養液が、ＥＣ濃度の測定値をもとに計算された濃度に自動調整されることにより、栽培容器内における培養液のＥＣ濃度が適正化されるように構成することもできる。
【００１７】
また、循環液のＥＣ濃度及びｐＨが監視され、そのＥＣ濃度及びｐＨが適正範囲を外れてしまった場合に、複数種類用意されたｐＨ調整剤のうちの少なくとも１種類、及び／又は、原水が循環液に添加されるように構成し、これによって循環液のＥＣ濃度及びｐＨが適正化されるように構成することもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る循環式養液栽培装置１の構成図である。この図に示されているように、本実施形態における循環式養液栽培装置１は、基本的には培養液供給手段（原液タンク２、混入ポンプ１７、第１ポンプ３、循環タンク８、ノズル１９）、栽培容器４、栽培用培地（栽培マット５）、培養液回収手段（排液管７、排液タンク９、第２ポンプ１０）、及び、図示しない制御手段、日照センサー等によって構成されている。
【００１９】
これらのうち、原液タンク２は、新たに生成した未使用の培養液（新液）の濃縮液を貯留しておくためのものである。この原液タンク２に貯留されている培養液の濃縮液は、制御手段による制御下において、混入ポンプ１７によって所要量が吸引され、原水に混入された上で、ノズル１９から対象植物６に供給されるようになっている。尚、培養液の濃縮液と原水との混合比は、制御手段により、必要に応じて適宜変更されるようになっており、対象植物６の種類、作型、季節、生育ステージ等を考慮して、適切な濃度にて給液を行えるようになっている。
【００２０】
栽培容器４の内部には、対象植物６を定植させるための栽培用培地として、スポンジ状の栽培マット５が配設されている。
【００２１】
給液の際は、栽培マット５から余剰分が流出する程度に、十分な量の培養液が栽培マット５へ供給されるようになっており、余剰の培養液（排液）は、図示されているように、栽培容器４の底面に設けられた孔１８から流出し、排液管７によって回収されて、排液タンク９に貯留されるようになっている。
【００２２】
排液タンク９に貯留された排液は、制御手段による制御下において、第２ポンプ１０によって吸引され、循環タンク９へ移送され、再利用のために貯留される。尚、本発明においては、再利用に供される培養液乃至は排液を、特に「循環液」と言う。
【００２３】
また、図１に示されているように、本実施形態の循環式養液栽培装置１においては、排液タンク９内に第１センサー１５が設置され、循環タンク８内には第２センサー１６が設置されており、排液及び循環液の濃度、成分バランスが監視されるようになっている。そして、排液又は循環液が、培養液としての適性範囲を外れてしまった場合には、第１センサー１５、第２センサー１６によって検出され、ｐＨ調整剤供給手段１３、及び、原水供給手段１４により、循環タンク８内において濃度及び成分バランスが自動調整され、培養液としての機能を十分に発揮できるような性状に維持されるようになっている。
【００２４】
循環タンク８に貯留されている循環液は、制御手段による制御下において、第１ポンプ３によって吸引され、ノズル１９から、対象植物６が栽培されている栽培マット５へと供給されるようになっている。
【００２５】
つまり、本実施形態の循環式養液栽培装置１は、新液（原液タンク２に貯留されている培養液の濃縮液を原水と混ぜ合わせることによって所望の濃度に調整された未使用の培養液）と循環タンク８に貯留されている循環液のうち、いずれか一方の培養液を選択して栽培用マット５へ供給できるようになっており、その選択は、制御手段により、諸事情を考慮して自動的に判断されるようになっている。従って、状況に応じ、新液を供給する必要がある場合には新液を供給し、それ以外の場合には、循環液を使用するというような制御方法（例えば、作物生理に応じた制御方法）を適用することが可能となるほか、省資源化、コストの節減を図ることができる。
【００２６】
そして、前述したように、この循環式養液栽培装置１においては、循環液が繰り返し使用されることによって、培養液の濃度、成分バランスが不均衡となってしまった場合には、それらが適性範囲内となるように自動調整され、培養液としての機能を十分に発揮できるような性状に常時維持されるようになっているため、図４に示したような従来の再利用方式の養液栽培装置３１のように、「適性範囲を外れてしまった循環液を系外へと放出せざるを得ない」というような事態を好適に回避することができ、完全閉鎖型の培養液循環システムを実現することができる。
【００２７】
次に、本発明の第２の実施形態として、第１の実施形態の循環式養液栽培装置１の好適な制御方法について説明する。本実施形態においては、まず、１日を「日の出前」、「日中」、「日の入り後」という３つの時間帯に分け、図１に示した循環式養液栽培装置１を運用する際、ａ．モードの起動（又は、切替）、ｂ．給液アクション、ｃ．給液量、及び、ｄ．培養液の選択、という制御項目について、（ア）日の出前モード、（イ）日中モード、及び、（ウ）日の入り後モードという３つのモード毎に、それぞれ異なる制御を行うことによって、「対象植物の作物生理に応じた給液管理」及び「循環液の濃度・成分バランスの不均衡による作物生育への悪影響を最小限に抑える給液管理」を実現できるようになっている。以下、モード毎に、各項目についての制御方法について詳細に説明する。
【００２８】
（ア）日の出前モード
ａ．モードの起動
日の出前モードは、タイマー制御により、「日の出時刻」の一定時間前（例えば、２時間前）に起動される。尚、実施日当日の「日の出時刻」は、実施日前「１週間分の日射量計測データ」をもとに、制御手段によって予測され、「１週間分の日射量計測データ」は、日照センサーによって連続的に、或いは、定時的に計測され、制御手段に記憶されるようになっている。但し、「日の出時刻」は、ユーザーが事前に登録することによって設定することもでき、この場合には、制御手段による「日の出時刻の予測」は行われない。
【００２９】
ｂ．給液アクション
日の出前モードにおける給液は、給液アクション（培養液を栽培マット５へ供給するという動作）を複数回実行することによって行われる。第１回目の給液アクションは、日の出前モードの起動後、準備が整い次第実行され、第２回目以降の給液アクションは、第１回目の給液アクションの終了後、一定の間隔（例えば、３０分）をおいて、「計測排液率」が「基準排液率」に到達するまで繰り返し実行される。このように、日の出前の給液は、実質的にはタイマー制御によって行われる。
【００３０】
尚、ここに言う「排液率」とは、栽培マット５への培養液の給液量（一回の給液アクションによって供給される培養液の量）に対する排液量（栽培マット５から流出した余剰の培養液の量）の比率を意味し、「計測排液率」とは、実際に計測された排液量の対給液量比率を意味し、「基準排液率」とは、対象植物（作物）、作型、栽培マット５の保水力等を勘案して、ユーザーによって設定された排液率の目標値である。そして、給液アクションを繰り返し実行することによって、計測排液率が基準排液率に到達した場合、「栽培マット５内の水分は適正な状態にある」とみなされる。換言すれば、ユーザーは、栽培マット５内の水分が適正な状態となるように、諸事情を考慮して基準排液率を設定する必要がある。
【００３１】
ｃ．給液量
第１回目の給液アクションにおいては、「基準給液量」の培養液が栽培マット５へ供給される。この「基準給液量」とは、前日に実施された日中モードの給液（「日中モード」及びその給液の態様等については後述する。）によって栽培マット５へ供給された培養液の総量を、給液アクションの実行回数で割ったもの、即ち、前日の日中モードにおける給液アクション１回当たりの給液量の平均値である。
【００３２】
第２回目以降の給液アクションにおいては、「給液量適正化制御」に従って給液量が決定され、給液アクションが実行される。この「給液量適正化制御」とは、前回の給液アクションによって生じた排液量の計測値と給液量から計測排液率を計算し、基準排液率と計測排液率との差から、基準排液率を達成するために（即ち、栽培マット５内の水分状態を適正にするために）今回の給液アクションにおいて供給すべき培養液の量を算出して（このようにして算出された給液量を「算出給液量」と言う。）、給液アクションを実行する、というものである。
【００３３】
但し、この給液量適正化制御において、その直前の回に実行された給液アクションの際に排液が生じなかった場合には、今回の給液アクションにおいて供給すべき適正な培養液の量は算出できないことになるので、算出給液量ではなく、基準給液量の培養液が栽培マット５へ供給されることになる。
【００３４】
ｄ．培養液の選択
日の出前モードにおいては、すべての給液アクションにおいて、新液が使用される。
【００３５】
ここで、図２に示すフローチャートに沿って、日の出前モードにおける給液の手順（日の出前モードの起動から終了まで）について説明する。まず、日の出前モードが起動されると、第１回目の給液アクションとして、基準給液量の培養液が栽培マット５へ供給される。次に、第２回目の給液アクションにおける給液量を決定するため、給液量適正化制御により、第１回目の給液アクションが実行された結果、排液が生じたかどうかが計測される。尚、排液量は、第２流量計１２（図１参照）によって計測される。
【００３６】
より詳細には、給液アクションの際に余剰分が生じると、その余剰分は栽培マット５から流出して排液管７によって排液として回収され、その排液は排液タンク９に貯留されることになる。排液タンク９に貯留された排液は、その次の回の給液アクションが実行される前に、第２ポンプ１０によってすべて吸引され、循環タンク８に移送される。このとき、第２流量計１２によって、その回に移送された排液の量がその都度計測され、制御手段に記憶されるようになっている。
【００３７】
そして、第１回目の給液アクションによって生じた排液量が「０」であった場合、即ち、排液が計測されなかった場合、第２回目の給液アクションにおいて使用される培養液の量は、基準給液量となる。
【００３８】
一方、排液量が「０以上」であった場合には、計測排液率が計算され、その値が基準排液率を超えているかどうかが判定される。その結果、計測排液率が基準排液率を超えていた場合には、第２回目の給液アクションの給液量は「０」、即ち、それ以上給液アクションは実行されない。この場合、日の出前モードにおける給液は、そのまま終了する。
【００３９】
計測排液率が基準排液率を超えていない場合には、その計測排液率をもとに、第２回目の給液アクションによって基準排液率を達成するために必要な給液量が制御手段によって算出され、その算出給液量にて、第２回目の給液アクションが実行される。この場合、第２回目の給液アクションの実行によって基準排液率を達成できることになるので、第２回目の給液アクションをもって、日の出前モードの給液は終了する。
【００４０】
尚、第３回目以降の給液アクションが実行される場合も、上述したような第２回目の給液アクションと同様の手順に従って、給液量が決定され、給液が実行される。
【００４１】
本実施形態においては、このような手順に従って給液アクションを繰り返し実行することによって、日の出前において、栽培マット５内の水分を適正な状態とすることができるようになっている。
【００４２】
（イ）日中モード
ａ．モードの切替
日の出前モードの給液が終了すると、自動的に日中モードに切り替わる。
ｂ．給液アクション
日中モードにおける給液も、給液アクションを複数回実行することによって行われるが、日の出前モードの給液アクションのように、繰り返し連続的に実行されるのではなく、「積算日射量制御」によって行われる。この「積算日射量制御」とは、日照センサーによって計測された日射量の積算値が所定の値を超えた場合に給液が開始されるという制御を意味する。
【００４３】
つまり、この制御方法による場合、日射量の強い時間帯には、比較的短い間隔で給液アクションが実行され、日射量が弱い時間帯や曇天の場合には、比較的長い間隔で給液アクションが実行されることになる。
【００４４】
但し、タイムリミットを設定できるようになっており、例えば、タイムリミットを「６時間」と設定した場合には、前回の給液アクション終了から６時間経過しても、日射量の積算値が所定の値を超えていない場合には、強制的に給液アクションが開始されるようになっている。
【００４５】
ｃ．給液量
日中モードにおいて実行される各給液アクションの給液量は、日の出前モードの第２回目以降の給液アクションと同様に、「給液量適正化制御」に従って決定される。つまり、前回の給液アクション（日中モードにおける第１回目の給液アクションの場合には、日の出前モードにおいて実行された最後の給液アクション）の実行により生じた排液量の計測値及び給液量をもとに、基準排液率を達成するために必要となる給液量が算出され、その算出給液量にて給液アクションが実行されることになり、前回の給液アクションの際に排液が生じなかった場合には、基準給液量にて給液アクションが実行されることになる。
【００４６】
ｄ．培養液の選択
日中モードの各給液アクションにおいては、時間帯によって、新液と循環液のいずれかが選択される。より詳細には、日射強度が最高となる時刻（最高日射強度時刻）の１時間前（±１５分）を境として、その時刻（基準時刻）よりも前に実行される給液アクションにおいては新液が使用され、基準時刻よりも後に実行される給液アクションにおいては循環液が使用される。但し、循環液が使用されるべき時間帯であっても、循環液が不足している場合、或いは、枯渇してしまった場合には、自動的に新液が使用され、不足分が補われるようになっている。
【００４７】
尚、制御手段は、日射時間帯（日の出から日の入りまでの時間帯）の中間時刻を最高日射強度時刻として把握し、その時刻から基準時刻を計算（自動設定）するようになっている。例えば、日の出が午前５時、日の入りが午後７時となる日においては、日射時間帯の中間時刻となる「正午」が最高日射強度時刻ということになり、基準時刻は「午前１１時」ということになる。また、実施日の日射時間帯は、実施日前１週間分の日射量計測データをもとに、制御手段によって予測される。
【００４８】
このように、日中モードにおいて、基準時刻前には新液を使用し、基準時刻後には循環液を使用するという制御を行うこととしているのは、次のような理由による。
【００４９】
まず、作物生理（光合成による代謝等）を考慮すると、日の出から日射強度が最高となる時刻までの時間帯が、作物養水分吸収が行われるうえで重要な時間帯であると考えられ、また、発明者等が実際に行った試験により、日射強度が最高となる時刻の１時間前以降は、推定養水分吸収が低下し、排液のＥＣ（電気伝導度）濃度が高まることが判った。これらのことから、日の出から最高日射強度時刻の１時間前までの時間帯が、作物養水分吸収が行われるうえで重要な時間帯であることが推定できる。
【００５０】
そこで、本実施形態においては、作物養水分吸収が行われるうえで重要な時間帯である「日の出から最高日射強度時刻の１時間前まで」は、養分濃度及び成分バランスについて申し分のない新液を供給し、養水分吸収量の低下する「最高日射強度時刻の１時間前以降」は、循環液を再利用することとしたのである。
【００５１】
そして、このような制御を行うことにより、作物生理に応じた給液管理を実現でき、また、万が一循環液の濃度・成分バランスが不適となってしまった場合であっても、対象植物や作物への悪影響を最小限に抑えることができる。
【００５２】
（ウ）日の入り後モード
ａ．モードの切替
日照センサーによって「日没」が確認されると、自動的に日の入り後モードに切り替わる。
【００５３】
ｂ．給液アクション
モードが日の入り後モードに切り替えられてから一定時間（例えば、１時間）が経過すると、日の入り後モードの給液として、給液アクションが１回だけ実行される。尚、日中だけでなく日の入り後にも給液を実行することとしているのは、光合成が行われない夜間においても養水分吸収は行われる、と考えられるからである。
【００５４】
ｃ．給液量
日の入り後モードの給液アクションが実行される際、まず、その日に実行された日中モードの給液アクション１回当たりの平均給液量が計算され、その値と同量の培養液が栽培マット５へ供給される。
【００５５】
ｄ．培養液の選択
日の入り後モードの給液アクションにおいては、新液が選択される。
【００５６】
ｅ．その他
前述の通り、日の入り後モードの給液アクションが実行される際には、その日に実行された日中モードの給液アクション１回当たりの平均給液量が計算されることになるが、その平均給液量の値は、翌日の基準給液量として、制御手段にセットされる。
【００５７】
以上に説明したような制御方法によれば、対象植物の作物生理に応じた給液管理、及び、循環液の濃度・成分バランスの不均衡による作物生育への悪影響を最小限に抑える給液管理を実現できる。
【００５８】
また、発明者等が実施した試験において、給液量、給液ＥＣ濃度を一定の値で管理すると、作物の養水分吸収が行われる栽培マット内の水分状態によって、排液量や排液のＥＣ濃度が変化することが確認されており、このことから、栽培マット内の水分状態を一定に保つということが、作物養水分吸収最適化を図るうえで非常に重要であるということが判明しているが、以上に説明したような制御方法によれば、栽培マット５内の水分状態が一定に保たれることになるので、作物養水分吸収を最適化し、効率よく対象植物及び作物を生育させることができる。
【００５９】
次に、本発明の第３の実施形態として、第１の実施形態の循環式養液栽培装置１について適用することができる他の制御方法について説明する。本実施形態においては、作物の生育ステージ、時期ごとの養水分吸収量に合わせて、適切な処方の培養液を選択することにより、栽培マット５内の成分バランスの不均衡を短時間で是正することができるようになっている。以下、本実施形態に係る循環式養液栽培装置１の制御方法について詳細に説明する。
【００６０】
図１の循環式養液栽培装置１を用いて植物の栽培を実施する際、培養液の排液を再利用し続けると、培養液のＥＣ濃度が上昇するとともに、その成分バランスが不均衡となり、培養液のｐＨが上昇若しくは下降し、適正範囲から外れてしまうことがある。
【００６１】
本実施形態においては、このように培養液のｐＨが適正範囲から外れてしまった場合、速やかにこれを検知し、ｐＨ変動の原因（症状）を特定し、その特定された原因（症状）に応じて、適切な処方の培養液を選択して、給液が実行されるようになっている。
【００６２】
より具体的には、給液アクションの起動条件が満たされた場合（例えば、日射量の積算値が所定の値を超えた場合など）、まず、給液アクションの実行前に、前回の給液アクションによって生じた排液（排液タンク９に貯留されている。）のＥＣ濃度、及び、ｐＨが測定される。尚、ＥＣ濃度、及び、ｐＨの測定は、排液タンク９内に設置されている第１センサー１５によって行われる。
【００６３】
そして、その測定結果をもとに、ｐＨ変動の原因（症状）が特定される。尚、ｐＨが上昇する要因として、硝酸に対して塩基（Ｋ，Ｃａ，Ｍｇ）が相対的に多く排液中に存在していることが推定され、逆に、ｐＨが低下する要因としては、塩基に対して硝酸が相対的に多く排液中に存在していることが推定される。また、ＥＣ濃度の上昇という症状は、排液中の硝酸による影響と考えられるが、ｐＨが高い場合には、排液中の塩基の影響と考えられる。逆に、ＥＣ濃度が低下する要因としては、養分濃度が全体的に低下している場合、特に、硝酸が不足している場合が多いが、ｐＨが低い場合は、塩基が極端に少なくなっている、とも考えられる。
【００６４】
これらのことから、ＥＣ濃度、及び、ｐＨの測定結果と、ｐＨ変動の原因（症状）とは、次表に示すような関係にある、と考えられる。
【００６５】
【表１】

【００６６】
尚、上記表の「硝酸」及び「塩基」の欄において、「高」とは、排液中における各成分の「含有量が多い」ことを意味し、「低」とは、「含有量が少ない」ことを意味する。また、「塩基」の欄において「多」とは、排液中における塩基の含有量が「硝酸よりも多い」ことを意味し、「少」とは、「硝酸よりも少ない」ことを意味している。
【００６７】
そして、特定されたｐＨ変動の原因（症状）が、上記表１のケース１、ケース４、及び、ケース７に該当する場合、即ち、ｐＨが高い場合には、次表に示す第１培養液が選択され、ケース３、ケース６、及び、ケース９に該当する場合、即ち、ｐＨが低い場合には、次表に示す第２培養液が選択される。また、ケース２、ケース５、及び、ケース８に該当する場合、即ち、ｐＨが適正であれば、通常の培養液が選択されて、給液が実行される。
【００６８】
【表２】

【００６９】
上記のうち、第１培養液は、「山崎処方」と呼ばれる処方に従って調整された培養液であり、第２培養液は、塩基の割合が高い処方の培養液である。
【００７０】
第１培養液、第２培養液、及び、ｐＨが適正である場合に給液される通常の培養液は、いずれも未使用の培養液（新液）であって、濃縮された状態で原液タンク２内に貯留されている。尚、図１には、１つの原液タンク２しか表示されていないが、本実施形態における循環式養液栽培装置１においては、３つの原液タンク２が設置され、第１培養液、第２培養液、及び、通常の培養液の濃縮液が、それぞれ別々の原液タンク２内に貯留されており、給液アクションの際には、選択された培養液の濃縮液が混入ポンプ１７によって吸引され、原水と混合され、所望の濃度にて栽培マット５へ供給されるようになっている。
【００７１】
このように、本実施形態においては、培養液の排液を再利用し続けることによって、培養液のｐＨが上昇若しくは下降し、適正範囲から外れてしまった場合に、排液タンク９内の第１センサー１５によってこれが検知され、第１センサー１５によるＥＣ濃度及びｐＨの測定結果に基づいて、ｐＨ変動の原因（症状）が特定されるとともに、その原因（症状）に応じて、適切な培養液が選択されて給液されるようになっており、その結果、栽培マット５内の成分バランスの不均衡を短時間で是正できるようになっている。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施形態として、第１の実施形態の循環式養液栽培装置１について適用することができる他の制御方法について説明する。本実施形態においては、栽培マット５内の養水分状態を一定に保つことによって作物生育を適正に管理できるよう、給液ＥＣ濃度を自動調整することによって、栽培マット５内における培養液のＥＣ濃度を適正化し、成分濃度・バランスの不均衡を最小限に抑えることができるようになっている。以下、本実施形態に係る循環式養液栽培装置１の制御方法について詳細に説明する。
【００７３】
培養液の排液を再利用し続けると、循環液のＥＣ濃度が上昇あるいは下降し、適正範囲から外れてしまうことがある。本実施形態においては、このように排液のＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまった場合、速やかにこれを検知し、次回の給液アクションによって生じる排液のＥＣ濃度を、管理ＥＣ濃度（ユーザーによって設定された排液ＥＣ濃度についての目標値）に近づけるようになっている。
【００７４】
より具体的には、給液アクションの起動条件が満たされた場合（例えば、日射量の積算値が所定の値を超えた場合など）、まず、給液アクションの実行前に、前回の給液アクションによって生じた排液のＥＣ濃度が、第１センサーによって測定される。
【００７５】
そして、その排液ＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまっている場合には、その測定値をもとに、今回の給液アクションにおいて使用する培養液の濃度（給液の原液希釈倍率）を計算する。尚、培養液の濃度計算は、今回の給液アクションにおいて、どの程度の濃度で培養液を供給すれば、今回の給液アクションの実行後に生じる排液のＥＣ濃度を、管理ＥＣ濃度に近づけることができるか、という事項を基準として行う。
【００７６】
また、このような場合（前回の排液ＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまった場合）に給液対象となる培養液は、循環液ではなく、原液タンク２に貯留されている新液の濃縮液であり、新液の濃縮液は、通常、原液希釈基準倍率（濃縮液の処方ごとに定められた希釈倍率）にて原水に混入され、栽培マット５へ供給されるようになっている。
【００７７】
従って、培養液の濃度計算は、まず、排液のＥＣ濃度を管理ＥＣ濃度に近づけるために必要となる希釈率（管理ＥＣ濃度に適正化する希釈率）を求め、原液希釈基準倍率を、管理ＥＣ濃度に適正化する希釈率で割ることによって、実際に使用される培養液の濃縮液を希釈する倍率（給液の原液希釈倍率）を求める、という手法によって行う。
【００７８】
つまり、管理ＥＣ濃度に適正化する希釈率をｄとし、原液希釈基準倍率をｆｎとし、給液の原液希釈倍率をｅｎとすると、次のような関係式が成り立つ。
【００７９】
【数１】
ｅｎ＝ｆｎ／ｄ
【００８０】
例えば、前回の排液ＥＣ濃度の測定結果より、管理ＥＣ濃度に適正化する希釈率が「１．０４」であると計算された場合であって、使用される培養液の原液希釈基準倍率が「１００」である場合には、今回の給液アクションにおいて使用される培養液は、原液タンク２に貯留されている培養液の濃縮液を、「９６．２」倍に希釈されて、栽培マット５へ供給されることになる。
【００８１】
本実施形態においては、このように、前回の排液ＥＣ濃度測定結果に基づいて、今回の給液アクションにおいて使用する培養液の濃度を自動計算し、その結果生じる排液のＥＣ濃度が、管理ＥＣ濃度に近づくように自動調整されるようになっており、栽培マット５内の培養液のＥＣ濃度が適正化され、成分濃度・バランスの不均衡が最小限に抑制されるようになっている。
【００８２】
次に、本発明の第５の実施形態として、第１の実施形態の循環式養液栽培装置１について適用することができる他の制御方法について説明する。本実施形態においては、循環タンク８内の循環液のＥＣ濃度、ｐＨを常時監視し、複数種類用意されたｐＨ調整剤のうちの少なくとも１種類、及び／又は、原水を循環タンク８内へ添加することにより、循環液のＥＣ濃度、ｐＨが、常時適正化されるようになっており、これにより、循環式養液栽培装置１を完全閉鎖型の装置とすることができる。以下、本実施形態に係る循環式養液栽培装置１の制御方法について詳細に説明する。
【００８３】
図１に示されているように、本実施形態においては、循環式養液栽培装置１の循環タンク８内に、第２センサー１６が備えられており、常時、循環タンク８内における循環液のＥＣ濃度及びｐＨが測定され、これらが適正範囲を外れている場合には、原水、或いは、ｐＨ調整剤が循環タンク８内へ添加され、ＥＣ濃度及びｐＨが適正化される。
【００８４】
原水の添加は、図１に示す原水供給手段１４によって行われ、第２センサー１６によるＥＣ濃度の計測値が、適正範囲内となるまで（管理ＥＣ濃度に近づくまで）実行される。一方、ｐＨ調整剤の添加は、図１に示すｐＨ調整剤供給手段１３によって行われる。
【００８５】
ｐＨ調整剤供給手段１３は、ｐＨを上げるために使用される３種類のｐＨアップ剤（ＫＯＨを主体とするもの、Ｃａ（ＯＨ）_２を主体とするもの、及び、Ｍｇ（ＯＨ）_２を主体とするもの）と、ｐＨを下げるために使用される２種類のｐＨダウン剤（硝酸を主体とするもの、及び、りん酸を主体とするもの）の、合計５種類のｐＨ調整剤の中から、適宜選択された１種類のｐＨ調整剤を循環タンク８内へ添加し、或いは、必要に応じて複数種類のｐＨ調整剤を選択して循環タンク８内へ添加することができるようになっている。
【００８６】
より具体的には、第２センサー１６によるｐＨの測定結果より、循環液のｐＨを上げる必要がある場合において、作物の種類、生育ステージの養分吸収特性に合わせたユーザーの事前登録により、カリウムが必要と予測される場合には、ＫＯＨを主体とするｐＨアップ剤が添加され、カルシウムが必要と予測される場合には、Ｃａ（ＯＨ）_２を主体とするｐＨアップ剤が添加され、マグネシウムが必要と予測される場合には、Ｍｇ（ＯＨ）_２を主体とするｐＨアップ剤が添加される。
【００８７】
また、第２センサー１６によるｐＨの測定結果より、循環液のｐＨを下げる必要がある場合において、ＥＣ濃度が管理ＥＣ濃度よりも高い場合には、りん酸を主体とするｐＨダウン剤が添加され、ＥＣ濃度が管理ＥＣ濃度よりも低い場合には、硝酸を主体とするｐＨダウン剤が添加される。
【００８８】
このように、本実施形態に係る循環式養液栽培装置１の制御方法によれば、循環タンク８内の循環液のＥＣ濃度、ｐＨが常時監視され、複数種類のｐＨ調整剤や原水を循環タンク８内へ適宜添加することにより、循環液のＥＣ濃度、及び、ｐＨが、常時適正化されるようになっており、これにより、循環式養液栽培装置１を完全閉鎖型の装置とすることができる。
【００８９】
また、ｐＨ調整剤として、Ｎ、Ｐ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｇをそれぞれ主体とする調整剤を循環液に添加できるように構成されているため、循環液における成分バランスの適正化を図るとともに、養分補給機能も具現化することができる。但し、ｐＨ調整剤は上記のものには限定されず、他の成分を主体とする調整剤を用いることもできる。
【００９０】
尚、上記各実施形態における本発明の構成は例示であり、例えば、栽培容器４の構造や形状は、図１に示したものには限定されず、その材質、排液の排出方法についても、何ら限定されるものではない。また、上記実施形態においては、栽培用培地として栽培マット５を例示して説明したが、必ずしもこれには限定されず、その種類、設置方法も限定されるものではない。
【００９１】
更に、循環液や排液の濃度、成分バランスを計測する手段として、第１センサー１５及び第２センサー１６が例示され、これらは、培養液のＥＣ濃度及びｐＨを計測するためのものと説明されているが、必要に応じてイオンメーターと置換し、或いは、併用させることもできる。
【００９２】
また、原液タンク２の数量や、原水との混合方法も、図１に示すものには限定されず、作物の種類等に応じて、適宜変更することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る循環式養液栽培装置は、新液と循環液とを必要に応じて使い分けることができるので、例えば、作物生理に応じた制御方法などを適用することが可能となり、対象植物、作物を効率よく生育されることができるほか、省資源化及びコストの節減を図ることができる。
【００９４】
また、循環液の濃度、成分バランスが自動調整されるように構成した場合には、完全閉鎖型の培養液循環システムを実現することができる
【００９５】
更に、この循環式養液栽培装置において、給液量適正化制御や、積算日射量制御を実施できるように構成した場合には、培養液の濃度、成分バランスが不適となった場合でも、作物生育への影響を最小限に抑えることができ、また、作物生理に応じた給液管理を実現することができるほか、栽培用培地内の水分状態を一定に保つことにより、作物養水分吸収最適化を図ることができる。
【００９６】
また、栽培用培地から流出した余剰の培養液のＥＣ濃度及びｐＨが測定されるように構成し、培養液のｐＨが適正範囲から外れてしまった際、ｐＨ変動の原因が特定されるとともに、その特定された原因に応じて、適切な処方の未使用の培養液が栽培用培地へ供給されるように構成した場合や、培養液のＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまった際、未使用の培養液が栽培用培地へ供給されるように設定されるとともに、その未使用の培養液が、ＥＣ濃度の測定値をもとに計算された濃度に自動調整されるように構成した場合には、栽培用培地内において培養液の成分バランスの不均衡が生じた場合でも、これを短時間で是正することができ、或いは、栽培容器内における培養液のＥＣ濃度を速やかに適正化することができる。
【００９７】
そして、循環液のＥＣ濃度及びｐＨが監視され、そのＥＣ濃度及びｐＨが適正範囲を外れてしまった場合に、複数種類用意されたｐＨ調整剤のうちの少なくとも１種類、及び／又は、原水が循環液に添加されるように構成した場合には、循環液のＥＣ濃度及びｐＨを速やかに適正化することができ、その結果、循環式養液栽培装置を完全閉鎖型の装置として構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る循環式養液栽培装置１の構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る循環式養液栽培装置１の制御方法の説明図。
【図３】従来の基本的な養液栽培装置２１の構成図。
【図４】従来の再利用方式の養液栽培装置３１の構成図。
【符号の説明】
１：循環式養液栽培装置、
２：原液タンク、
３：第１ポンプ、
４，２４：栽培容器、
５：栽培マット、
６，２６：対象植物、
７：排液管、
８，２８：循環タンク、
９：排液タンク、
１０：第２ポンプ、
１１：第１流量計、
１２：第２流量計、
１３：ｐＨ調整剤供給手段、
１４：原水供給手段、
１５：第１センサー、
１６：第２センサー
１７：混入ポンプ、
１８：孔、
１９：ノズル、
２１，３１：養液栽培装置、
２２：培養液タンク、
２３：ポンプ、
２５：栽培用培地、
２７：排水手段、
２９：新液供給管、
３０：孔、

Claims (10)

1. 栽培容器と、この栽培容器内に配設された栽培用培地と、前記栽培用培地へ培養液を供給する培養液供給手段と、前記栽培用培地から流出した余剰の培養液を回収する培養液回収手段と、制御手段とを有し、前記培養液供給手段が、制御手段による制御下において、新しい培養液と、前記培養液回収手段によって回収された余剰の培養液のうちのいずれかを選択して栽培用培地へ供給できるように構成されていることを特徴とする循環式養液栽培装置。
2. 実施日において日射強度が最高となる時刻との関係で基準時刻を自動設定し、この基準時刻前においては、新しい培養液を栽培用培地へ供給し、基準時刻後においては、前記培養液回収手段によって回収された余剰の培養液を栽培用培地へ供給するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の循環式養液栽培装置。
3. 前記基準時刻後において、前記培養液回収手段によって回収された余剰の培養液を栽培用培地へ供給しようとする際、回収された余剰の培養液の残量が十分でない場合には、その不足分が、新しい培養液によって補われるように構成されていることを特徴とする、請求項２に記載の循環式養液栽培装置。
4. 前記基準時刻が、日射強度最高時刻の約１時間前の時刻に設定されることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の循環式養液栽培装置。
5. 実施日の日の出前においては、タイマー制御によって給液を行い、日中においては、積算日射量制御によって給液を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれかに記載の循環式養液栽培装置。
6. 日中、積算日射量制御によって給液が行われる場合、所定時間が経過しても積算日射量が規定量に達していない場合には、強制的に給液が実行されるように構成されていることを特徴とする、請求項５に記載の循環式養液栽培装置。
7. 前記培養液回収手段によって回収された余剰の培養液が、濃度及び成分バランスが適性範囲内となるように自動調整されたうえで、再利用されるように構成されていることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれかに記載の循環式養液栽培装置。
8. 前記栽培用培地から流出した余剰の培養液のＥＣ濃度及びｐＨが測定されるように構成され、培養液のｐＨが適正範囲から外れてしまった場合に、ｐＨ変動の原因が特定されるとともに、その特定された原因に応じて、適切な処方の未使用の培養液が前記栽培用培地へ供給されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の循環式養液栽培装置。
9. 前記栽培用培地から流出した余剰の培養液のＥＣ濃度が測定されるように構成され、培養液のＥＣ濃度が適正範囲から外れてしまった場合には、未使用の培養液が前記栽培用培地へ供給されるように設定されるとともに、その未使用の培養液が、ＥＣ濃度の測定値をもとに計算された濃度に自動調整されることにより、前記栽培容器内における培養液のＥＣ濃度が適正化されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の循環式養液栽培装置。
10. 前記培養液回収手段によって回収された余剰の培養液のＥＣ濃度及びｐＨが監視され、ＥＣ濃度及びｐＨが適正範囲を外れてしまった場合に、複数種類用意されたｐＨ調整剤のうちの少なくとも１種類、及び／又は、原水が添加されるように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の循環式養液栽培装置。

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