JP2012070714A

JP2012070714A - 植物栽培装置

Info

Publication number: JP2012070714A
Application number: JP2010220125A
Authority: JP
Inventors: Toshio Tanaka; 利夫田中; Korehiro Odo; 維大大堂; Tomomi Saito; 智己齋藤; Aiko Kato; 愛子加藤; Kenkichi Kagawa; 謙吉香川
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2012-04-12

Abstract

【課題】簡便に養液と栽培植物自体とを殺菌・消毒する植物栽培装置を実現できるようにする。
【解決手段】植物栽培装置は、植物を養液栽培する栽培槽（101）と、活性種を含む活性水を生成する活性水生成部（103）と、活性水を栽培槽（101）及び植物に供給する活性水供給部（105）とを備えている。活性水生成部は、貯水槽（103B）に貯水された水中においてストリーマ放電を発生させる放電ユニット（103A）及び放電ユニット（103A）に直流電圧を供給する直流電源（109）を有している。放電ユニットは、放電電極(131)と、放電電極（131）を収容し、開口を有する絶縁容器（133）と、対向電極（135）とを有している。活性水供給部は、活性水を栽培槽に供給する第１の供給経路（181）と、活性水を植物に噴霧する第２の供給経路（182）とを有している。
【選択図】図１

Description

本発明は植物栽培装置に関し、特にストリーマ放電により生成した活性水を用いた植物栽培装置に関する。

固形培地や水中に根系を形成させ、生育に必要な栄養成分を液肥と希釈水とを所定比率で混合した培養液（養液）を介して与えて、土壌を用いることなく作物などの植物を栽培する養液培養が注目を集めている。養液栽培では、植物の生育環境を制御しているため、生産物の品質を一定に保つことができる。また、土壌を用いないため連作障害を生じさせることなく連作することが可能となる。しかし、養液栽培において一旦病害が発生すると、均一な環境であるため短時間のうちに急速に拡大し栽培植物が全滅するおそれがある。このため、病害の発生防止が非常に重要である。

養液栽培において病害を予防する方法として、養液への紫外線又は超音波の照射並びに養液の加熱殺菌等が検討されている。また、オゾン水を用いた消毒・殺菌も検討されている。さらに、オゾン水をミスト状にして空気中に噴霧することにより栽培空間及び栽培植物自体を殺菌・消毒することも検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００８−２０６４４８号公報

しかしながら、前記従来の養液栽培方法は、オゾンを用いるため養液が酸性化するという問題及び廃オゾン処理に費用がかかるという問題がある。また、空気中にオゾン水を噴霧する方法では、栽培植物への除菌効果が低い。さらに、養液中へのオゾン水の供給と、空気中へのオゾン水の噴霧とを同時に行うために大規模な設備が必要となる。

本願は、前記の問題を解決し、簡便に養液と栽培植物自体とを殺菌・消毒する植物栽培装置を実現できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、例示の植物栽培装置は、直流電圧を印加することにより水中においてストリーマ放電を発生させる放電ユニットを用いて活性水を生成し、生成した活性水を用いて養液及び栽培植物自体を殺菌・消毒する構成とする。

具体的に、本発明に係る植物栽培装置は、植物を養液栽培する栽培槽（101）と、活性種を含む活性水を生成する活性水生成部（103）と、活性水を栽培槽（101）及び植物に供給する活性水供給部（105）とを備え、活性水生成部（103）は、貯水槽（103B）、貯水槽（103B）に貯水された水中においてストリーマ放電を発生させる放電ユニット（103A）及び放電ユニット（103A）に直流電圧を供給する直流電源（109）を有し、放電ユニット（103A）は、放電電極(131)と、放電電極（131）を収容し、開口を有する絶縁容器（133）と、開口と対向する位置に配置された対向電極（135）とを有し、活性水供給部（105）は、活性水を栽培槽（101）に供給する第１の供給経路（181）と、活性水を植物に供給する第２の供給経路（182）とを有している。

本発明の植物栽培装置は、放電電極(131)と、放電電極（131）を収容し、開口を有する絶縁容器（133）と、開口と対向する位置に配置された対向電極（135）とを有する放電ユニットを用いて活性水を生成する活性水生成部（103）を備えている。このため、植物の殺菌・消毒をする活性水を容易に生成することができる。また、活性水を栽培槽（101）に供給する第１の供給経路（181）と、活性水を植物に噴霧する第２の供給経路（182）とを有する活性水供給部（105）とを備えている。このため、養液の殺菌・消毒だけでなく、植物の表面等を直接殺菌・消毒することが可能である。

本発明の植物栽培装置において、活性水供給部（105）は、活性水生成部（103）からの活性水の供給を第１の供給経路（181）と第２の供給経路（182）との間で切り換える切り換え部（183）を有していてもよい。このような構成とすることにより、活性水の消費量を低減することができ、活性水供給部を小型化し、コストを低減することができる。

本発明の植物栽培装置において、活性種は、過酸化水素とすればよい。このような構成とすることにより、殺菌・消毒能力に優れ、長期間安定な活性水とすることができる。また、活性水の廃棄も容易となる。

本発明の植物栽培装置において、活性水生成部（103）は、生成した活性水を貯水する貯水機能を有していてもよい。

本発明に係る植物栽培装置によれば、簡便に養液と栽培植物自体とを殺菌・消毒する植物栽培装置を実現できる。

一実施形態に係る植物栽培装置を示す全体構成図である。放電ユニット部分を示す断面図である。放電ユニットの絶縁容器を示す斜視図である。放電ユニットへの電圧の印加により気泡が発生した状態を示す断面図である。放電ユニットの第１変形例を示す断面図である。放電ユニットの第１変形例における絶縁容器を示す斜視図である。放電ユニットの第２変形例を示す断面図である。放電ユニットの第２変形例において電圧の印加により気泡が発生した状態を示す断面図である。放電ユニットの第３変形例における絶縁容器の蓋体を示す平面図である。

本願発明者らは、対向する２つの電極間に直流電圧を印加することにより水中においてストリーマ放電を発生させることができことを見出した。また、水中においてストリーマ放電を発生させることにより、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）等の活性種を含む殺菌・消毒効果が高い活性水を容易に生成できることを見出した。本実施形態の植物栽培装置は、本願発明者らが見出した、水中において容易にストリーマ放電を発生させ、活性水を生成する方法に基づいている。

図１に示すように、本実施形態の植物栽培装置は、植物１０７を養液栽培する栽培槽１０１と、活性種を含む活性水を生成する活性水生成部１０３と、生成した活性水を植物１０７に供給する活性水供給部１０５とを備えている。栽培槽１０１は、植物１０７を栽培するための養液１１１の容器であり、植物１０７を定植するための培地１１３が充填されている。培地１１３はどの様なものであってもよいが、多孔質性のものが好ましく、例えばもみ殻くん炭等の多孔質性の植物残渣からなる培地及びバーミキュライト又はパーライト等の多孔質性の人工培地等を用いればよい。また、培地１１３を用いない水耕栽培等であってもよく、例えばロックウール等からなるマットにより植物１０７が保持されていてもよい。栽培槽１０１は、養液１１１を循環供給するポンプ（図示せず）等を有していてもよい。なお、養液１１１を循環供給しない非循環供給としてもよい。

活性水生成部１０３は、貯水槽１０３Ｂと貯水槽１０３Ｂ中に配置された放電ユニット１０３Ａとを有している。貯水槽１０３Ｂは、活性水の生成及び貯水を行う容器であり、外部から水を供給するための給水経路（図示せず）を有し、空気中の雑菌及びゴミ等が侵入しにくい容器とすることが好ましい。放電ユニット１０３Ａは貯水槽１０３Ｂに貯水された水中においてストリーマ放電を発生させる。ストリーマ放電により、貯水槽１０３Ｂ中の水は活性種を有する活性水となる。生成した活性水は、そのまま貯水槽１０３Ｂに貯水される。ストリーマ放電により生じる活性種は貯水槽１０３Ｂに貯水された水の状態によって変化する。通常は、活性種として主にＨ₂Ｏ₂が発生する。また、Ｈ₂Ｏ₂以外に水酸ラジカル等も発生する。特に、水中に銅イオン又は鉄イオンが共存する条件下では、いわゆるフェントン反応により、銅イオン又は鉄イオンが触媒的に作用して、水酸ラジカルの発生量が増大する。

活性水生成部１０３において生成された活性水は、活性水供給部１０５により植物１０７に供給される。活性水供給部１０５は、栽培槽１０１に活性水を供給して養液１１１を殺菌・消毒する第１の供給経路１８１と、植物１０７に活性水を供給して植物１０７自体を殺菌・消毒する第２の供給経路１８２とを有している。植物１０７への活性水の供給は噴霧等とすればよい。これにより、養液１１１の殺菌・消毒と、植物１０７自体の殺菌・消毒とを行うことができる。植物を栽培する際に養液１１１の殺菌・消毒と、植物１０７自体の殺菌・消毒との両方が行えることが好ましいが、通常は養液１１１の殺菌・消毒と、植物１０７自体の殺菌・消毒とを同時に行う必要はない。このため、本実施形態においては、第１の供給経路１８１と第２の供給経路１８２とを、切り換え部１８３により切り換える構成としている。このようにすれば、一度に使用する活性水の量を低減することができ、活性水生成部１０３を小型化することができ、コストを低減できる。但し、切り換え部１８３はなくてもよい。第２の供給経路１８２において活性水を噴霧する機構は、既知の噴霧用のノズル等とすればよい。

活性水生成部１０３に用いる放電ユニット１０３Ａは、例えば図２に示すような構成とすればよい。図２に示すように放電ユニット１０３Ａは、放電電極１３１と、放電電極１３１を収容する絶縁容器１３３と、絶縁容器１３３を挟んで放電電極１３１と対向する位置に配置された対向電極１３５とを有している。放電電極１３１は偏平な板状であり、絶縁容器１３３の底部１４２に配置されている。放電電極１３１はステンレス又は銅等の導電性の金属材料とすればよい。絶縁容器１３３は、容器本体１３３Ａと蓋体１３３Ｂとを有している。蓋体１３３Ｂは開口１３３ａを有している。開口１３３ａは直径が０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。対向電極１３５は、偏平な板状であり、複数の貫通孔１３５ａを有している。対向電極１３５は、開口１３３ａを挟んで放電電極１３１と対向するように、絶縁容器１３３と間隔をおいて配置されている。また、放電電極１３１と対向電極１３５とは、略平行となるように配置されていることが好ましい。対向電極１３５は、ステンレス又は真鍮等の導電性の金属材料とすればよい。対向電極１３５は、金属板に貫通孔が形成されたパンチングメタル形状だけでなく、ワイヤー等により形成されたメッシュ形状であってもよい。

放電電極１３１と対向電極１３５との間に直流電源１０９から直流電圧を印加することにより、放電電極１３１から対向電極１３５に向かってストリーマ放電が発生する。直流電源１０９は、放電電極１３１と対向電極１３５との間に瞬間的な高電圧を繰り返し印加するパルス電源ではなく、放電電極１３１と対向電極１３５との間に常に数キロボルトの直流電圧を印加する。直流電源１０９を用いてストリーマ放電を発生させるため、パルス電源を用いる場合に比べて、電源部を簡素化することができ、コスト及びサイズを低減することができる。また、直流電源１０９を用いることによりパルス電源等を用いてストリーマ放電を発生させる場合と比べて、衝撃波及び騒音の発生を低減できるという利点も得られる。直流電源１０９の正極は放電電極１３１と接続され、負極は接地されている。また、直流電源１０９は、放電電極１３１と対向電極１３５との間の放電電力を一定に制御する定電力制御部（図示せず）を有している。

放電電極１３１を収容する絶縁容器１３３は、例えばセラミックス等の絶縁材料により形成されている。絶縁容器１３３は、一面（上面）が開放された容器本体１３３Ａと、容器本体１３３Ａの開放部を閉塞する板状の蓋体１３３Ｂとを有している。容器本体１３３Ａは、角型筒状の側壁部１４１と、側壁部１４１の底面を閉塞する底部１４２とを有している。放電電極１３１は、底部１４２の上に配置されている。側壁部１４１の高さは、放電電極１３１の厚さよりも厚く、放電電極１３１と蓋体１３３Ｂとの間には、空間Ｓが形成されている。空間Ｓには、水を満たすことができる。

図２及び図３に示すように、蓋体１３３Ｂは、開口１３３ａを有している。開口１３３ａにより、放電電極１３１と対向電極１３５との間に電界が形成される。開口１３３ａの内径は、０．０２ｍｍ以上且つ０．５ｍｍ以下であることが好ましい。放電電極１３１が絶縁容器１３３の内部に収容され、対向電極１３５が絶縁容器１３３の外部に配置され、放電電極１３１と対向電極１３５との間に開口１３３ａが形成されている。このため、放電電極１３１と対向電極１３５との間を流れる電流は、開口１３３ａに狭窄され、放電電極１３１と対向電極１３５との間の電流経路における電流密度を上昇させることができる。また、開口１３３ａにおいて、電流密度が上昇することにより、ジュール熱が発生し、絶縁容器１３３内の水を気化させ気泡を発生させることができる。このように、絶縁容器１３３は、電流狭窄部及び気相形成部として機能する。

以下に、放電ユニット１０３Ａの動作を説明する。放電ユニット１０３Ａに直流電圧が供給されていない場合には、図２に示すように絶縁容器１３３の内部の空間Ｓが水で満たされた状態となっている。放電電極１３１と対向電極１３５との間に所定の直流電圧（例えば１ｋＶ）を印加すると、放電電極１３１と対向電極１３５との間に電界が形成される。放電電極１３１は、絶縁容器１３３に覆われているため、放電電極１３１から対向電極１３５への電流は、開口１３３ａに狭窄され、開口１３３ａにおける電流密度が高くなる。

直流電源１０９から放電ユニット１０３Ａへ電圧を供給すると、放電電極１３１と対向電極１３５との間に流れる電流によって、養液１１１の温度が上昇する。特に、開口１３３ａの部分において電流密度が高くなるため、発生するジュール熱も大きくなる。このため、開口１３３ａの近傍において、気泡Ｂの発生が盛んになり、図４に示すように気泡Ｂが開口１３３ａのほぼ全域を覆う状態となる。これにより、放電電極１３１と対向電極１３５との間には、気泡Ｂと水とが介在した状態となり、気泡Ｂは放電電極１３１と対向電極１３５との間の水を介した導通を阻止する抵抗となる。従って、放電電極１３１と対向電極１３５との間の漏れ電流が抑制され、放電電極１３１と対向電極１３５との間に、所望の電位差が保たれるようになる。その結果、気泡Ｂ内において絶縁破壊に伴うストリーマ放電が発生する。

ストリーマ放電の発生に伴い、Ｈ₂Ｏ₂等の活性種が発生し、貯水槽１０３Ｂ中の水は活性水となる。発生したＨ₂Ｏ₂等の活性種は、ストリーマ放電に伴う熱によって貯水槽１０３Ｂ内を対流する。また、放電ユニット１０３Ａにおいて発生する気泡Ｂの動きによっても水の対流が発生する。これにより、貯水槽１０３Ｂ内における活性種の拡散が促進される。Ｈ₂Ｏ₂等の活性種を含む活性水を活性水供給部１０５の第１の供給経路１８１により栽培槽１０１に供給することにより、養液１１１の殺菌・消毒を行うことができる。また、第２の供給経路１８２により栽培されている植物１０７に直接噴霧することにより植物１０７の表面等の殺菌・消毒を行うことができる。

なお、開口１３３ａは図５及び図６に示すように複数形成されていてもよい。図６においては、開口１３３ａが正方格子状に配置されている例を示しているが、長方格子状、三角格子状又は六方格子状等に配置されていてもよい。また、規則的に配置されていなくてもよい。但し、各開口１３３ａを流れる電流を均一にするためには、開口１３３ａが等間隔に配置されていることが好ましい。また、放電電極１３１は全ての開口１３３ａに跨るように配置されていることが好ましい。

また、図７に示すように放電電極１３１、絶縁容器１３３及び対向電極１３５が一体に形成されたフランジユニット状の放電ユニット１０３Ａを用いてもよい。フランジユニット状の放電ユニット１０３Ａは、貯水槽１０３Ｂの外側から内部に向かって挿入して固定すればよい。

放電ユニット１０３Ａは、大略の外形が円筒状に形成された絶縁容器１３３を有している。絶縁容器１３３は、容器本体１３３Ａと蓋体１３３Ｂとを有している。容器本体１３３Ａは、ガラス又は樹脂等の絶縁材料からなる。容器本体１３３Ａは、円筒状の基部１５１と、基部１５１から栽培槽１０１側に突出した筒状壁部１５２と、筒状壁部１５２の外縁部からさらに栽培槽１０１側に突出した環状凸部１５３と、環状凸部１５３からさらに栽培槽１０１側に突出した先端筒部１５４とを有している。基部１５１の軸心部には、円柱状の挿入口１５１ａが軸方向に貫通形成されている。筒状壁部１５２の内側には、挿入口１５１ａと同軸となり、且つ挿入口１５１ａよりも径が大きい円柱状の空間Ｓが形成されている。蓋体１３３Ｂは、略円板状に形成されて環状凸部１５３の内側に嵌合している。蓋体１３３Ｂは、セラミックス材料等からなる。蓋体１３３Ｂの軸心には、円形状の開口１３３ａが形成されている。

放電電極１３１は、軸直角断面が円形状となる縦長の棒状の電極である。放電電極１３１は、基部１５１の挿入口１５１ａに嵌合している。これにより、放電電極１３１は、絶縁容器１３３の内部に収容されている。放電電極１３１における貯水槽１０３Ｂとは反対側の端部は、貯水槽１０３Ｂの外部に露出した状態となる。このため、貯水槽１０３Ｂの外部に配置される直流電源１０９と、放電電極１３１とを電気配線によって容易に接続することができる。

放電電極１３１における貯水槽１０３Ｂ側の端部１３１ａは、絶縁容器１３３の内部の空間Ｓに臨んでいる。なお、図７に示す例では、放電電極１３１の端部１３１ａが、挿入口１５１ａの開口面よりも貯水槽１０３Ｂ側に突出しているが、端部１３１ａの先端面が挿入口１５１ａの開口面と略面一となった構成としてもよい。また、端部１３１ａが挿入口１５１ａの開口面よりも陥没した構成としてもよい。放電電極１３１の端部１３１ａと蓋体１３３Ｂとの間には、所定の間隔が確保されている。

対向電極１３５は、円筒状の電極本体１６１と、電極本体１６１から径方向外方へ突出する鍔部１６２とを有している。電極本体１６１は、絶縁容器１３３の容器本体１３３Ａに外嵌している。鍔部１６２は、貯水槽１０３Ｂの壁部に固定されて放電ユニット１０３Ａを保持する固定部として機能する。電極本体１６１の貯水槽１０３Ｂ側に突出した部分が水中に位置するように、放電ユニット１０３Ａは貯水槽１０３Ｂに固定されている。

対向電極１３５は、電極本体１６１よりも径が小さい内側筒部１６３と、内側筒部１６３と電極本体１６１との間に亘って形成される連接部１６４とを有している。内側筒部１６３及び連接部１６４は、養液１１１中に水没した状態となっている。内側筒部１６３は、その内部に円柱空間１６７を有している。内側筒部１６３の軸方向の一端は、蓋体１３３Ｂと当接しており、蓋体１３３Ｂを保持する保持部として機能する。内側筒部１６３、連接部１６４及び電極本体１６１により形成された空間を先端筒部１５４が埋めるように形成されている。内側筒部１６３の軸方向の他端の側には、円柱空間１６７を覆うようにメッシュ状の漏電防止材１６８が設けられている。この漏電防止材１６８は、対向電極１３５と接触しており、実質的に接地されている。これにより、漏電防止材１６８は、栽培槽１０１の内部の空間において、円柱空間１６７の内側から外側への漏電を防止している。

対向電極１３５は、電極本体１６１の一部が貯水槽１０３Ｂの外部に露出された状態となる。このため、直流電源１０９と対向電極１３５とを電気配線によって容易に接続することができる。

放電ユニット１０３Ａに直流電圧が供給されていない場合には、図７に示すように絶縁容器１３３の内部の空間Ｓが水で満たされた状態となっている。放電電極１３１と対向電極１３５との間に所定の直流電圧（例えば１ｋＶ）を印加すると、空間Ｓの内部及び開口１３３ａの内部において、ジュール熱により気泡が発生する。

放電ユニット１０３Ａへの電圧の供給をさらに続けると、図８に示すように開口１３３ａに形成される気泡Ｂが安定し、気泡Ｂが開口１３３ａのほぼ全体を覆う状態となる。これにより、円柱空間１６７内の水と、放電電極１３１との間に気泡Ｂによる抵抗が付与される。従って、放電電極１３１と対向電極１３５との間の電位差が保たれ、気泡Ｂによりストリーマ放電が発生する。ストリーマ放電により、Ｈ₂Ｏ₂等の活性種が発生し、貯水槽１０３Ｂ中の水は活性種を含む活性水となる。

なお、図９に示すように開口１３３ａを複数形成してもよい。図９に示す例では、蓋体１３３Ｂの軸心を中心とする仮想ピッチ円上に、５つの開口１３３ａが等間隔で配置されている。蓋体１３３Ｂに複数の開口１３３ａを形成することにより、それぞれの開口１３３ａの近傍においてストリーマ放電を生じされることができる。

直流電源１０９に、ストリーマ放電の放電電力を一定に制御する定電力制御部設ける例を示したが、定電力制御部に代えて、ストリーマ放電時の放電電流を一定に制御する定電流制御部を設けてもよい。定電流制御を行うことにより、水の導電率によらず放電が安定するため、スパークの発生も未然に回避できる。

また、放電電極１３１に直流電源１０９の正極を接続し、対向電極１３５に直流電源１０９の負極を接続する例を示したが、放電電極１３１に正極を接続し対向電極１３５に正極を接続し、いわゆるマイナス放電を行うようにしてもよい。

本発明に係る植物栽培装置は、簡便に養液と栽培植物自体とを殺菌・消毒する植物栽培装置を実現でき、植物栽培装置等として有用である。

１０１栽培槽
１０３活性水生成部
１０３Ａ放電ユニット
１０３Ｂ貯水槽
１０５活性水供給部
１０７植物
１０９直流電源
１１１養液
１１３培地
１３１放電電極
１３１ａ端部
１３３絶縁容器
１３３Ａ容器本体
１３３Ｂ蓋体
１３３ａ開口
１３５対向電極
１３５ａ貫通孔
１４１側壁部
１４２底部
１５１基部
１５１ａ挿入口
１５２筒状壁部
１５３環状凸部
１５４先端筒部
１６１電極本体
１６２鍔部
１６３内側筒部
１６４連接部
１６７円柱空間
１６８漏電防止材
１８１第１の供給経路
１８２第２の供給経路
１８３切り換え部

Claims

植物を養液栽培する栽培槽（101）と、
活性種を含む活性水を生成する活性水生成部（103）と、
前記活性水を前記栽培槽（101）及び前記植物に供給する活性水供給部（105）とを備え、
前記活性水生成部（103）は、貯水槽（103B）、該貯水槽（103B）に貯水された水中においてストリーマ放電を発生させる放電ユニット（103A）及び該放電ユニット（103A）に直流電圧を供給する直流電源（109）を有し、
前記放電ユニット（103A）は、放電電極(131)と、該放電電極（131）を収容し、開口を有する絶縁容器（133）と、前記開口と対向する位置に配置された対向電極（135）とを有し、
前記活性水供給部（105）は、前記活性水を前記栽培槽（101）に供給する第１の供給経路（181）と、前記活性水を前記植物に供給する第２の供給経路（182）とを有していることを特徴とする植物栽培装置。
前記活性水供給部（105）は、
前記活性水生成部（103）からの前記活性水の供給を前記第１の供給経路（181）と前記第２の供給経路（182）との間で切り換える切り換え部（183）を有していることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。
前記活性種は、過酸化水素であることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。
前記活性水生成部（103）は、生成した活性水を貯水する貯水機能を有していることを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。