JP2013138648A - 植物栽培装置及び栽培方法 - Google Patents

Abstract

【課題】養水の殺菌に要するエネルギーを低減し、効率良く植物を栽培できるようにする。
【解決手段】植物栽培装置は、植物を養液栽培するための栽培槽（101）と、栽培槽（101）に養水を循環供給する養水供給部（102）とを備えている。養水供給部（102）は、養水殺菌部（103）を有し、養水殺菌部（103）は、殺菌槽（61）、放電を発生させる放電部（62）、殺菌槽（61）内の養水に超音波を照射する超音波発生部(94)及び殺菌槽（61）内の養水を加温する加温部（105）を有している。放電部（62）は、電極対（64,65、464,465、564,565,664,665）及び電源部（70）を有し、放電によって養水中に水酸ラジカルを経て過酸化水素が生成するように構成されている。超音波発生部（94）は、養水中の過酸化水素を水酸ラジカルに変換するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、植物栽培装置及び栽培方法に関し、特に養水の浄化に過酸化水素及び水酸ラジカルを用いる植物栽培装置及び栽培方法に関する。

固形培地や水中に根系を形成させ、液肥と希釈水とを所定比率で混合した培養液（養水）により生育に必要な栄養成分を与えて、土壌を用いることなく作物などの植物を栽培する養液栽培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、養水を加熱殺菌することが検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００１−２１１７６９号公報

しかしながら、前記従来の養水を加熱殺菌する養液栽培方法は、加熱のために膨大なエネルギーを必要とするという問題を有している。また、一般的な加熱殺菌では養水を８０℃以上の高温にする必要があり、殺菌後の養水を十分に冷却しなければならない。養水の冷却には電力を必要としたり、複雑な機構を必要としたりする。

本発明は、前記の問題を解決し、養水の殺菌に要するエネルギーを低減し、エネルギー効率が高い植物栽培装置及び栽培方法を実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る植物栽培装置の第１の態様は、植物を養液栽培するための栽培槽（101）と、栽培槽（101）に養水を循環供給する養水供給部（102）とを備え、養水供給部（102）は、養水殺菌部（103）を有し、養水殺菌部（103）は、殺菌槽（61）、該殺菌槽（61）内において放電を発生させる放電部（62）、殺菌槽（61）内の養水に超音波を照射する超音波発生部(94)及び殺菌槽（61）内の養水を加温する加温部（105）を有し、放電部（62）は、電極対（64,65、464,465、564,565,664,665）及び該電極対（64,65、464,465、564,565,664,665）と接続された電源部（70）を有し、放電によって養水中に水酸ラジカルを生成するように構成されており、超音波発生部（94）は、生成した水酸ラジカルが変化して生成する養水中の過酸化水素を水酸ラジカルに変換するように構成されている。

第２の態様として、放電部（62）及び超音波発生部（94）の運転及び停止を制御する制御部（303）をさらに備え、制御部（303）は、殺菌槽（61）内の養水に含まれる過酸化水素の濃度が所定の範囲内となるように、放電部（62）及び超音波発生部（94）の運転及び停止を制御してもよい。

この場合において、制御部（303）は、殺菌槽（61）内の養水に含まれる過酸化水素の濃度が、予め設定した下限値に達するまでは、放電部（62）を運転状態とし、超音波発生部（94）を停止状態とし、下限値に達した後、予め設定した上限値に達するまでは、放電部（62）及び超音波発生部（94）を運転状態とし、上限値に達した後、下限値に達するまでは、放電部（62）を停止状態とし、超音波発生部（94）を運転状態とすることが好ましい。

この場合において、殺菌槽（61）内の養水に含まれる過酸化水素の濃度を測定するセンサをさらに備えていることが好ましい。

第３の態様として、電極対（564,565）は、互いに対向するよう配置された板状の電極により構成され、電源部（70）は、電極対（564,565）にパルス電圧を印加するパルス電源であり、放電部（62）は、電極対（564,565）の間において養水中に気泡を発生させる気泡発生部（520）を有していてもよい。

第４の対称として、加温部（105）は、太陽熱温水パネルを用いることが好ましい。

本発明の植物栽培装置において、加温部（105）は、空調機の廃熱を用いることが好ましい。

第５の態様として、養水殺菌部（103）は、ヒーターを用いた補助加温部（106）を有していてもよい。

第６の態様として、養水供給部（102）は、養水殺菌部（103）と栽培槽（101）との間の経路に設けられた養水冷却部（104）を有していてもよい。

本発明に係る植物栽培方法は、殺菌槽（61）内の養水中において放電を発生させることにより、養水中に水酸ラジカルを発生させ、生成した水酸ラジカルが変化して生成した過酸化水素を含む養水に超音波を照射することにより養水中の過酸化水素を水酸ラジカルに変換すると共に、養水を加温することにより、養水を殺菌するステップと、殺菌した養水を植物を養液栽培する栽培槽（101）に供給するステップとを備えている。

この場合において、放電は、第１電極(64)と、該第１電極（64）を収容し、開口を有する絶縁容器（71）と、開口と対向する位置に配置された第２電極（65）とを有する放電部（62）を用い、第１電極（64）と第２電極（65）との間に電圧を印加することにより発生させることが好ましい。

この場合において、過酸化水素水を供給した養水の加温は、太陽熱又は空調機の廃熱により行うことが好ましい。

本発明に係る植物栽培装置及び栽培方法によれば、養水の殺菌に要するエネルギーを低減し、効率良く植物を栽培できる。

一実施形態に係る植物栽培装置を示す図である。 一実施形態に係る養水殺菌部を示す図である。 加温ユニットの一例を示す図である。 加温ユニットの一例を示す図である。 一実施形態に係る養水殺菌部の変形例を示す図である。 放電部の絶縁容器を示す斜視図である。 放電部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。 放電部の第１変形例を示す断面図である。 放電部の第１変形例における絶縁容器を示す斜視図である。 放電部の第２変形例を示す断面図である。 放電部の第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。 放電部の第３変形例における絶縁容器の蓋体を示す平面図である。 超音波発生部の第１変形例を示す断面図である。 超音波発生部の第２変形例を示す断面図である。 浄化ユニットにおける処理の基本サイクルを示す図である。 浄化ユニットの駆動の一例を示すタイミングチャートである。 浄化ユニットの駆動の一例を示すタイミングチャートである。 浄化ユニットの制御部の一例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る養水殺菌部を示す図である。 第３の実施形態に係る養水殺菌部を示す図である。 第４の実施形態に係る養水殺菌部を示す図である。

（第１の実施形態）
図１に示すように、本実施形態に係る植物栽培装置は、植物を養液栽培するための栽培槽（１０１）と、栽培槽（１０１）に養水を循環供給する養水供給部（１０２）とを備えている。養水供給部（１０２）は、養水を殺菌する養水殺菌部（１０３）を有している。栽培槽（１０１）には、養水殺菌部（１０３）により殺菌された養水が養水冷却部（１０４）を介して供給される。

栽培槽（１０１）は、植物を栽培するための栽培槽である。植物の栽培方法は、培地等を用いる固形培地栽培であってもロックウール等からなるマットを用いる水耕栽培であってもよい。また、土壌を用いる養液土耕等であってもよい。

図２に示すように、養水殺菌部（１０３）は、殺菌槽（６１）と、殺菌槽（６１）の内部に配置され、殺菌槽（６１）内の養水中において放電を発生させる放電部（６２）と、放電部（６２）に電力を供給する電源部（７０）と、超音波発生部（９４）と、殺菌槽（６１）内の養水を加温する加温部（１０５）とを有している。

殺菌槽（６１）は、養水を貯水し且つ殺菌するための容器であり、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。放電部（６２）により養水中において放電を発生させることにより、水酸ラジカルを経て過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）が発生し、養水中に供給される。さらに、過酸化水素を含む養水に超音波発生部（９４）から超音波を照射することにより過酸化水素は水酸ラジカルに変換される。通常、養水を殺菌するためには、養水を８０℃以上に加熱する必要がある。しかし、養水中に過酸化水素及び水酸ラジカル含まれている場合には、４０℃〜５０℃程度に加温すれば十分な殺菌効果が得られる。従って、加温部（１０５）に容量が大きいヒーター等を用いる必要がない。

加温部（１０５は例えば、図３に示すように太陽熱温水パネル（１８１）を用い、養水を太陽熱により加温すればよい。また、太陽熱温水パネル（１８１）により生成された温水を熱源として養水を加温してもよい。太陽熱等の自然エネルギーを用いることにより、環境に配慮した植物栽培装置とすることができる。また、図４に示すように空調機（１８２）等の廃熱を熱源として用いて養水を加温してもよい。植物を養液栽培する場合には、栽培温度を一定とするために、栽培を行う栽培室内に空調機等を設けることが行われる。この場合には、栽培室内の室温調整をする空調機の廃熱を用いればよい。また、太陽熱温水パネルによる加温及び空調機の廃熱による加温の両方を用いる構成としてもよい。

自然エネルギー又は空調機の廃熱等を用いる場合には、季節によって熱源の容量が不足することも考えられる。この場合には、図５に示すようにヒーター等を用いた補助加温部（１０６）を併用してもよい。

本実施形態においては、養水の加温温度は４０℃〜５０℃程度で十分である。このため、養水殺菌部（１０３）から栽培槽（１０１）に養水を供給する際に、大がかりな冷却機構を設ける必要がなく、空冷式又は水冷式の簡易な熱交換機からなる養水冷却部（１０４）を設ければ十分である。条件によっては配管による自然冷却だけで十分である。一方、供給する養水の温度を一定に管理するために、養水冷却部（１０４）を正確な温度制御ができる構成としてもよい。

以下に、本実施形態の放電部（６２）についてさらに詳細に説明する。図２に示すように放電部（６２）は、第１電極（６４）及び第２電極（６５）とからなる電極対（６４，６５）と、この電極対（６４，６５）に電圧を印加する電源部（７０）と、第１電極（６４）を内部に収容する絶縁容器（７１）とを備えている。第１電極（６４）は、絶縁容器（７１）に収容され、第２電極（６５）は絶縁容器（７１）を挟んで第１電極（６４）と対向する位置に配置されている。第１電極（６４）は偏平な板状であり、絶縁容器（７１）の底部（７２ｂ）に配置されている。第１電極（６４）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（７１）は、容器本体（７２）と蓋体（７３）とを有している。蓋体（７３）は開口（７４）を有している。開口（７４）は直径が０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度である。第２電極（６５）は、偏平な板状であり、複数の貫通孔（６６）を有している。第２電極（６５）は、開口（７４）を挟んで第１電極（６４）と対向するように、絶縁容器（７１）と間隔をおいて配置されている。また、第１電極（６４）と第２電極（６５）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。第２電極（６５）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。第２電極（６５）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。

第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に電源部（７０）から電圧を印加することにより、第１電極（６４）から第２電極（６５）に向かって放電が発生する。電源部（７０）は、第１電極（６４）と第２電極（６５）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あってもよいが、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に常に数キロボルトの電圧を印加する直流電源でかまわない。直流電源を用いる場合には、パルス電源等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、直流電源を用いることによりパルス電源等を用いて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。電源部（７０）の正極は第１電極（６４）と接続され、負極は接地されている。また、電源部（７０）は、第１電極（６４）と第２電極（６５）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。

第１電極（６４）を収容する絶縁容器（７１）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（７１）は、一面（上面）が開放された容器本体（７２）と、容器本体（７２）の開放部を閉塞する板状の蓋体（７３）とを有している。容器本体（７２）は、角型筒状の側壁部（７２ａ）と、側壁部（７２ａ）の底面を閉塞する底部（７２ｂ）とを有している。第１電極（６４）は、底部（７２ｂ）の上に配置されている。側壁部（７２ａ）の高さは、第１電極（６４）の厚さよりも厚く、第１電極（６４）と蓋体（７３）との間には、空間Ｓが形成されている。空間Ｓには、養水を満たすことができる。

図２及び図６に示すように、蓋体（７３）は、開口（７４）を有している。開口（７４）により、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に電界が形成される。開口（７４）の内径は、０．０２ｍｍ以上且つ０．５ｍｍ以下であることが好ましい。第１電極（６４）が絶縁容器（７１）の内部に収容され、第２電極（６５）が絶縁容器（７１）の外部に配置され、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に開口（７４）が形成されている。このため、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間を流れる電流は、開口（７４）に狭窄され、第１電極（６４）と第２電極（６５）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（７４）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（７１）内の養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（７１）は、電流狭窄部及び気相形成部として機能する。

以下に、放電部（６２）の動作を説明する。放電部（６２）に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（７１）の内部の空間Ｓが養水で満たされた状態となっている。第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に所定の電圧（例えば１ｋＶ）を印加すると、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に電界が形成される。第１電極（６４）は、絶縁容器（７１）に覆われているため、第１電極（６４）から第２電極（６５）への電流は、開口（７４）に狭窄され、開口（７４）における電流密度が高くなる。

電源部（７０）から放電部（６２）へ電圧を供給すると、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に流れる電流によって、養水の温度が上昇する。特に、開口（７４）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（７４）の近傍において、気泡Ｂの発生が盛んになり、図７に示すように気泡Ｂが開口（７４）のほぼ全域を覆う状態となる。これにより、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間には、気泡Ｂと養水とが介在した状態となり、気泡Ｂは第１電極（６４）と第２電極（６５）との間の養水を介した導通を阻止する抵抗となる。従って、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間の漏れ電流が抑制され、第１電極（６４）と第２電極（６５）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放電が発生する。

放電の発生に伴い、水酸ラジカルを経て過酸化水素が発生し、殺菌槽（６１）中の養水が過酸化水素を含む状態となる。発生した過酸化水素は、放電に伴う熱によって殺菌槽（６１）内を対流する。また、放電部（６２）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、殺菌槽（６１）内における過酸化水素の拡散が促進される。過酸化水素により養水が殺菌されるが、過酸化水素が含まれた養水を加温部（１０５）により４０℃〜５０℃程度に加温することにより、殺菌槽（６１）内の養水をさらに効果的に殺菌できる。

なお、開口（７４）は図８及び図９に示すように複数形成されていてもよい。図９においては、開口（７４）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。ただし、各開口（７４）を流れる電流を均一にするためには、開口（７４）が等間隔に配置されていることが好ましい。また、第１電極（６４）は全ての開口（７４）に跨るように配置されていることが好ましい。

また、図１０に示すように第１電極（６４）、絶縁容器（７１）及び第２電極（６５）が一体に形成されたフランジユニット状の放電部（６２）を用いてもよい。フランジユニット状の放電部（６２）は、殺菌槽（６１）の外側から内部に向かって挿入して固定すればよい。

放電部（６２）は、大略の外形が円筒状に形成された絶縁容器（７１）を有している。絶縁容器（７１）は、容器本体（７２）と蓋体（７３）とを有している。容器本体（７２）は、ガラス又は樹脂等の絶縁材料からなる。容器本体（７２）は、円筒状の基部７６と、基部７６から殺菌槽（６１）側に突出した筒状壁部（７７）と、筒状壁部（７７）の外縁部からさらに殺菌槽（６１）側に突出する環状凸部（７８）と、環状凸部（７８）からさらに栽培槽１０１側に突出した先端凸部（７９）とを有している。基部７６の軸心部には、円柱状の挿入口（７６ａ）が軸方向に貫通形成されている。筒状壁部（７７）の内側には、挿入口（７６ａ）と同軸となり、且つ挿入口（７６ａ）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（７３）は、略円板状に形成されて環状凸部（７８）の内側に嵌合している。蓋体（７３）は、セラミックス材料等からなる。蓋体（７３）の軸心には、円形状の開口（７４）が形成されている。

第１電極（６４）は、軸直角断面が円形状となる縦長の棒状の電極である。第１電極（６４）は、基部７６の挿入口（７６ａ）に嵌合している。これにより、第１電極（６４）は、絶縁容器（７１）の内部に収容されている。第１電極（６４）における殺菌槽（６１）とは反対側の端部は、殺菌槽（６１）の外部に露出した状態となる。このため、殺菌槽（６１）の外部に配置される電源部（７０）と、第１電極（６４）とを電気配線によって容易に接続することができる。

第１電極（６４）における殺菌槽（６１）側の端部（６４）ａは、絶縁容器（７１）の内部の空間Ｓに臨んでいる。なお、図１０に示す例では、第１電極（６４）の端部（６４）ａが、挿入口（７６ａ）の開口面よりも殺菌槽（６１）側に突出しているが、端部（６４）ａの先端面が挿入口（７６ａ）の開口面と略面一となった構成としてもよい。また、端部（６４）ａが挿入口（７６ａ）の開口面よりも陥没した構成としてもよい。第１電極（６４）の端部（６４）ａと蓋体（７３）との間には、所定の間隔が確保されている。

第２電極（６５）は、円筒状の電極本体（６５ａ）と、電極本体（６５ａ）から径方向外方へ突出する鍔部（６５ｂ）とを有している。電極本体（６５ａ）は、絶縁容器（７１）の容器本体（７２）に外嵌している。鍔部（６５ｂ）は、殺菌槽（６１）の壁部に固定されて放電部（６２）を保持する固定部として機能する。電極本体（６５ａ）の殺菌槽（６１）側に突出した部分が水中に位置するように、放電部（６２）は殺菌槽（６１）に固定されている。

第２電極（６５）は、電極本体（６５ａ）よりも径が小さい内側筒部（６５ｃ）と、内側筒部（６５ｃ）と電極本体（６５ａ）との間に亘って形成される連接部（６５ｄ）とを有している。内側筒部（６５ｃ）及び連接部（６５ｄ）は、水中に水没した状態となっている。内側筒部（６５ｃ）は、その内部に円柱空間（６７）を有している。内側筒部（６５ｃ）の軸方向の一端は、蓋体（７３）と当接しており、蓋体（７３）を保持する保持部として機能する。内側筒部（６５ｃ）、連接部（６５ｄ）及び電極本体（６５ａ）により形成された空間を先端凸部（７９）が埋めるように形成されている。内側筒部（６５ｃ）の軸方向の他端の側には、円柱空間（６７）を覆うようにメッシュ状の漏電防止材（６８）が設けられている。この漏電防止材（６８）は、第２電極（６５）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（６８）は、殺菌槽（６１）の内部の空間において、円柱空間（６７）の内側から外側への漏電を防止している。

第２電極（６５）は、電極本体（６５ａ）の一部が殺菌槽（６１）の外部に露出された状態となる。このため、電源部（７０）と第２電極（６５）とを電気配線によって容易に接続することができる。

放電部（６２）に電圧が供給されていない場合には、図１０に示すように絶縁容器（７１）の内部の空間Ｓが養水で満たされた状態となっている。第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に所定の電圧（例えば１ｋＶ）を印加すると、空間Ｓの内部及び開口（７４）の内部において、ジュール熱により気泡が発生する。

放電部（６２）への電圧の供給をさらに続けると、図１１に示すように開口（７４）に形成される気泡Ｂが安定し、気泡Ｂが開口（７４）のほぼ全体を覆う状態となる。これにより、円柱空間（６７）内の養水と、第１電極（６４）との間に気泡Ｂによる抵抗が付与される。従って、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間の電位差が保たれ、気泡Ｂにより放電が発生する。放電により、過酸化水素が発生し、殺菌槽（６１）中の養水に過酸化水素が含まれた状態となる。

なお、図１２に示すように開口（７４）を複数形成してもよい。図１２に示す例では、蓋体（７３）の軸心を中心とする仮想ピッチ円上に、５つの開口（７４）が等間隔で配置されている。蓋体（７３）に複数の開口（７４）を形成することにより、それぞれの開口（７４）の近傍において放電を生じされることができる。

電源部（７０）に、放電の放電電力を一定に制御する定電力制御部を設ける例を示したが、定電力制御部に代えて、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、養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、実施形態１及び各変形例において、電源部（７０）が直流電源の場合には正極に第１電極（６４）を接続し、電源部（７０）の負極に第２電極（６５）を接続すればよい。しかし、電源部（７０）の負極に第１電極（６４）を接続し、電源部（７０）の正極に第２電極（６５）を接続して、電極対（６４，６５）の間で、いわゆるマイナス放電を行うようにしてもよい。電源部（７０）は、第１電極（６４）と第２電極（６５）との間に瞬時的に高電圧を繰り返し印加するようなパルス電源としてもよく、交流電源等であってもよい。

次に、超音波発生部（９４）について説明する。超音波発生部（９４）は、板状の圧電セラミックス板（９５）と、圧電セラミックス板（９５）を挟むように設けられた一対の金属板（９６ａ）、９６ｂとにより構成されている。超音波発生部（９４）を封入するケース９７は密閉され、殺菌槽（６１）の底部に配置されている。

金属板（９６ａ）及び金属板（９６ｂ）には、増幅器（３０９）によって増幅された超音波波形発生部（３０８）の出力信号（交流電圧）が供給される。これにより、超音波発生部（９４）は任意の周波数の超音波を殺菌槽（６１）内の養水に照射できる。ただし、過酸化水素を分解して水酸ラジカルを効率良く発生させるためには、超音波の周波数を、１００ｋＨｚ以上程度とすることが好ましい。

なお、超音波発生部（９４）は、殺菌槽（６１）内の液体に超音波を照射できる範囲で任意の位置に設置されていてよい。例えば、図１３に示すように、超音波発生部（９４）は殺菌槽（６１）の底部外側に設置されていてもよい。超音波発生部（９４）が殺菌槽（６１）の底部外側に設置されている場合、超音波は殺菌槽（６１）の壁面を介して養水に伝達される。

また、超音波発生部（９４）は、図１４に示すように、金属ケース（９７ａ）の上部と金属板（９６）とで板状の圧電セラミックス板（９５）を挟み、両者の間に交流電圧を供給する構成であってもよい
なお、養水の循環を連続的に行っている場合には、放電部（６２）を駆動しても、殺菌槽（６１）内の過酸化水素濃度が、放電部（６２）よりも流入側では高くならない可能性がある。このため、超音波発生部（９４）は、放電部（６２）よりも流出側に設ける方が好ましい。しかし、養水の循環を連続的に行わず、一旦殺菌槽（６１）内に貯留するような場合には、超音波発生部（９４）が放電部（６２）よりも流入側に設けられていても問題ない。

殺菌槽（６１）内の養水中において放電部（６２）により放電を行うと、養水中に水酸ラジカルが発生する。発生した水酸ラジカルは急速に反応して過酸化水素となる。このため、殺菌槽（６１）内の過酸化水素濃度が次第に上昇する。過酸化水素濃度が十分に上昇した後、養水に超音波を照射すると、養水中の過酸化水素が分解され再び水酸ラジカルが発生する。超音波照射により発生した水酸ラジカルは再び結合して過酸化水素に戻る。このため、図１５に示すように過酸化水素から水酸ラジカルへの変換と、水酸ラジカルから過酸化水素への変換とが循環して生じる。ただし、殺菌等の養水の浄化に使われた水酸ラジカルは水に変化するので、放電を停止して超音波照射のみを行った場合には、過酸化水素の濃度は徐々に低下する。

過酸化水素により養水を十分に殺菌しようとすると、溶液中の過酸化水素の濃度を高くしなければならない。過酸化水素は、低濃度では比較的安全であるが濃度が高くなると植物に悪影響をおよぼすおそれがある。一方、水酸ラジカルは、過酸化水素と比べてはるかに高い殺菌能力を有している。従って、低い濃度においても養水を十分に殺菌することができる。しかし、水酸ラジカルは不安定であり直ぐに反応して過酸化水素となってしまう。このため、水酸ラジカルにより養水の殺菌を行うためには、水酸ラジカルを連続的に発生させなければならない。

放電の場合、水が分解されて水酸ラジカルが発生するため、連続的に運転を行うと養水中の過酸化水素濃度がどんどん上昇してしまう。一方、超音波照射の場合には、過酸化水素から水酸ラジカルへの変換は生じるが、水の分解は生じない。このため、水酸ラジカルの生成を連続的に行っても、過酸化水素の濃度が上昇することはない。従って、放電により過酸化水素を発生させ、超音波により水酸ラジカルを発生させることにより、放電のみを用いて殺菌を行う場合よりもはるかに効率良く殺菌を行うことができる。また、過酸化水素の濃度を低く抑えることができるので、より安全な浄化装置を実現することができる。

水酸ラジカルは反応性が高いため、栽培槽（１０１）において栽培している植物に水酸ラジカルが直接接すると、植物に悪影響が生じるおそれがある。しかし、水酸ラジカルの寿命は非常に短いため、殺菌槽（６１）外においては水酸ラジカルはほとんど存在しない。一方、低濃度の過酸化水素は、植物にほとんど影響を与えない。このため、養水殺菌部（１０３）を栽培槽（１０１）から独立させることにより、栽培槽（１０１）において栽培する植物２００が水酸ラジカルの影響を受けることがなくなるという利点が得られる。

放電部（６２）と超音波発生部（９４）とを常に動作状態としてもかまわないが、養水中の過酸化水素濃度が低い場合には、超音波を照射しても十分な水酸ラジカルの発生が望めない。また、放電部（６２）を動作させ続けると養水中の過酸化水素濃度が高くなりすぎるおそれもある。このため、図１６に示すような運転を行うことが好ましい。まず、放電部（６２）のみを運転して、殺菌槽（６１）内の過酸化水素を上昇させた後、超音波発生部（９４）の運転を開始し水酸ラジカルの生成を開始する。その後、殺菌槽（６１）内の過酸化水素濃度が十分に上昇した時点で放電部（６２）の運転を休止し、超音波発生部（９４）のみを運転する。殺菌槽（６１）内の過酸化水素の濃度が低下した時点で、再び放電部（６２）の運転を開始し、殺菌槽（６１）内の過酸化水素濃度を上昇させる。

以上のような、制御は予め設定したタイミングに基づいて行ってもよいが、殺菌槽（６１）内の過酸化水素濃度の測定値に基づいて図１７に示すような制御を行ってもよい。この場合には、図１８に示すように過酸化水素濃度を測定するセンサ（３０７）を殺菌槽（６１）内に設け、センサ出力に基づいて、制御部（３０３）により、放電部（６２）及び超音波発生部（９４）を制御すればよい。制御部（３０３）は、中央演算装置（ＣＰＵ）を備えた演算回路等とすればよい。また、養水を循環させるためのポンプについても、制御部（３０３）により制御する構成としてもよい。

なお、放電部（６２）の運転中に超音波発生部（９４）の運転を開始する例を示したが、放電部（６２）の運転を休止してから超音波発生部（９４）の運転を開始してもよい。また、放電部（６２）の再運転する場合に、超音波発生部（９４）を休止した状態としてもよい。

（第２の実施形態）
図１９は、第２の実施形態に係る養水殺菌部（１０３Ｂ）を示す構成図である。図１９において、第１の実施形態の養水殺菌部（１０３）と同様の構成については図２と同じ符号を付している。また、図１９においては、制御部（３０３）等の記載は省略している。以下においては、主に第２の実施形態に係る養水殺菌部（１０３）と異なる点について説明する。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）は、殺菌槽（６１）と、殺菌槽（６１）内に配置された放電部（６２）と、超音波発生部（９４）とを備えている。放電部は、電極４６４及び電極４６５からなる電極対と、電極対（４６４，４６５）に接続された電源部（７０）とを有している。超音波発生部（９４）は、殺菌槽（６１）の底部に設置されている。

電極（４６４）は絶縁容器（４７１ａ）の内部に収納され、電極（４６５）は絶縁容器（４７１ｂ）の内部に収納されている。電極（４６４）及び電極（４６５）は、それぞれ扁平な板状に形成されている。また、電極（４６４）及び電極（４６５）はステンレス、銅等の導電性の金属材料で構成されている。電源部（７０）は、数キロボルト程度の交流電圧を電極対（４６４，４６５）に供給する。

絶縁容器（４７１ａ，４７１ｂ）は、例えばセラミックス等の絶縁材料で構成されており、図２に示す絶縁容器（７１）と同様の構成を有している。

すなわち、絶縁容器（４７１ａ）は、一面（図１９では右側の面）が開放された容器状の容器本体（４８０ａ）と、該容器本体（４８０ａ）の上記開放部を閉塞する板状の蓋部（４７３ａ）とを有している。また、絶縁容器（４７１ｂ）は、一面（図１９では左側の面）が開放された容器状の容器本体（４８０ｂ）と、該容器本体（４８０ｂ）の開放部を閉塞する板状の蓋部（４７３ｂ）とを有している。

絶縁容器（４７１ａ）の蓋部（４７３ａ）には、該蓋部（４７３ａ）を厚さ方向に貫通する１つの開口（４７４ａ）が形成されている。絶縁容器（４７１ｂ）の蓋部（４７３ｂ）にも、該蓋部（４７３ｂ）を厚さ方向に貫通する１つの開口（４７４ｂ）が形成されている。これらの開口（４７４ａ，４７４ｂ）により、電極（４６４）と電極（４６５）との間の電界の形成が許容されている。開口（４７４ａ，４７４ｂ）の内径は、０．０２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが好ましい。以上のような開口（４７４ａ，４７４ｂ）は、電極対（４６４，４６５）の間の電流経路の電流密度を上昇させる電流密度集中部を構成する。

絶縁容器（４７１ａ，４７１ｂ）は、殺菌槽（６１）内の互いに対向する側面に、蓋部（４７３ａ，４７３ｂ）同士が対向するように設置されている。言い換えれば、電極（４６４）と電極（４６５）とは互いに対向するよう配置されている。

絶縁容器（４７１ａ，４７１ｂ）の開口（４７４ａ，４７４ｂ）内では、電流経路の電流密度が上昇することで、液体がジュール熱によって気化して気泡が形成される。つまり、絶縁容器（４７１ａ，４７１ｂ）の開口（４７４ａ，４７４ｂ）は、該開口（４７４ａ，４７４ｂ）に気相部としての気泡を形成する気相形成部として機能する。この構成により、交流電圧が電極対（４６４，４６５）に供給された場合に電極対（４６４，４６５）間の気泡内に放電を生起させることができる。

超音波発生部（９４）の構成は第１の実施形態と同様にすればよく、殺菌槽（６１）の底部に設置されていることが好ましいが、殺菌槽（６１）内の液体に超音波を照射できる限りにおいて任意の位置に設置可能である。

以上の構成をとることにより、交流電圧を電極対（４６４，４６５）に供給する場合でも、電極対（４６４，４６５）間に放電を生起させることができ、過酸化水素の濃度を抑えながら高い浄化能力を発揮させることができる。

なお、電源部（７０）から電極対（４６４，４６５）へは交流電圧を印加してもよいが、矩形波を印加しても電極対（４６４，４６５）間に放電を生起することができる。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）においても、図１６又は図１７に示すような制御を行うことが好ましい。

（第３の実施形態）
図２０は、第３の実施形態に係る養水殺菌部（１０３Ｃ）を示す構成図である。図２０において、第１の実施形態の養水殺菌部（１０３）と同様の構成については図２と同じ符号を付している。また、図２０においては、制御部（３０３）等の図示は省略している。以下においては、主に第１の実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）は、殺菌槽（６１）と、殺菌槽（６１）内に配置された放電部と、超音波発生部（９４）とを備えている。放電部は、殺菌槽（６１）内に設けられた電極対（５６４，５６５）と、電極対（５６４，５６５）に接続された電源部（７０）と、気泡発生部（５２０）とを有している。超音波発生部（９４）は、殺菌槽（６１）の底部に設置されている。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）においては、電源部（７０）は、第１電極（６４）及び第２電極（５６５）に高電圧のパルス電圧が供給される。

また、第１電極（５６４）を囲む絶縁容器は設けなくてよい。第１電極（５６４）及び第２電極（５６５）は共に板状であり、殺菌槽（６１）内の側面に、互いに対向するように設置される。

気泡発生部５２０は、例えば殺菌槽（６１）の底部など、少なくとも電極対（５６４，５６５）の間であって、電極対（５６４，５６５）よりも低い位置に設けられたノズル（吐出手段）（５１９）と、ノズル（５１９）に空気等の気体を送るエアポンプ（送出手段）（５１８）とを有している。エアポンプ（５１８）によって送出された気体は、ノズル（５１９）を介して殺菌槽（６１）内に送り込まれ殺菌槽（６１）内に気泡を発生させる。なお、殺菌槽（６１）内の気体を循環させる構成としても、外部から気体を取り入れる構成としてもよい。

超音波発生部（９４）の構成は第１の実施形態と同様にすればよく、殺菌槽（６１）の底部に設置されていることが好ましいが、殺菌槽（６１）内の液体に超音波を照射できる限りにおいて任意の位置に設置可能である。

少なくとも放電処理を行う期間中、ノズル（５１９）から養水中へ気体が送り込まれ、気泡が発生する。養水中に気泡が存在する状態で電極対（５６４，５６５）にパルス電圧を供給すると、気泡の内部において放電が生起され、水酸ラジカルが生成し、水酸ラジカルから過酸化水素が生成する。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）においても、図１６又は図１７に示すような制御を行うことが好ましい。

以上の構成及び方法によれば、電極対（５６４，５６５）間にパルス放電を発生させる場合でも、超音波照射と組み合わせることで、過酸化水素の濃度を抑えながら高い浄化能力を発揮させることができる。

（第４の実施形態）
図２１は、第４の実施形態に係る養水殺菌部（１０３）を示す構成図である。図２１において、第１の実施形態の養水殺菌部（１０３）と同様の構成については図２と同じ符号を付している。また、図２１においては、制御部（３０３）等の記載は省略している。以下においては、主に第１の実施形態と異なる点について説明する。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）は、殺菌槽（６１）と、殺菌槽（６１）内に配置された放電部と、超音波発生部（９４）とを備えている。放電部は、電極対（６６４，６６５）と、電極対（６６４，６６５）に接続された電源部（７０）とを有している。超音波発生部（９４）は、殺菌槽（６１）の底部に設置されている。電源部（７０）は、例えば交流電源で構成されているが、直流電源で構成されていてもよいし、矩形波やパルス電圧を供給する電源で構成されていてもよい。

電極（６６４）と電極（６６５）とは、それぞれ殺菌槽（６１）内の側面に、互いに対向するように設置されている。

電極（６６４）は、少なくとも１つの導電部（６５４）と、導電部（６５４）を囲む絶縁部（６５５）とを有している。電極（６６５）は、少なくとも１つの導電部（６５６）と、導電部（６５６）を囲む絶縁部（６５７）とを有している。

以上のように、電極（６６４）における導電部（６５４）の露出面、及び電極（６６５）における導電部（６５６）の露出面の面積は小さいので、電圧を電極対（６６４，６６５）に供給した場合には導電部（６５４，６５６）の表面で電流密度の集中部が形成される。そのため、導電部（６５４，６５６）の表面では液体がジュール熱によって気化して気泡が形成される。この泡によって導電部（６５４，６５６）の露出面が覆われた状態で電源部（７０）からの電圧供給を継続することにより、気泡の内部で放電が生起される。

超音波発生部（９４）の構成は第１の実施形態と同様にすればよく、殺菌槽（６１）の底部に設置されていることが好ましいが、殺菌槽（６１）内の液体に超音波を照射できる限りにおいて任意の位置に設置可能である。

以上の構成によっても、電極対（６６４，６６５）間での放電と、超音波照射とを組み合わせることにより、過酸化水素濃度を抑えながら高い浄化能力を発揮させることができる。

本実施形態の養水殺菌部（１０３）においても、図１６又は図１７に示すような制御を行うことが好ましい。

本発明に係る植物栽培装置及び栽培方法は、養水の殺菌に要するエネルギーを低減し、植物栽培におけるエネルギー効率を向上でき、植物栽培装置及び栽培方法等として有用である。

６１ 殺菌槽
６２ 放電部
６４ 第１電極
６４ａ 端部
６５ 第２電極
６５ａ 電極本体
６５ｂ 鍔部
６５ｃ 内側筒部
６５ｄ 連接部
６６ 貫通孔
６７ 円柱空間
６８ 漏電防止材
７０ 電源部
７１ 絶縁容器
７２ 容器本体
７２ａ 側壁部
７２ｂ 底部
７３ 蓋体
７４ 開口
７６ 基部
７６ａ 挿入口
７７ 筒状壁部
７８ 環状凸部
７９ 先端凸部
９４ 超音波発生部
９５ 圧電セラミックス板
９６ 金属板
９６ａ 金属板
９６ｂ 金属板
９７ ケース
９７ａ 金属ケース
１０１ 栽培槽
１０２ 養水供給部
１０３ 養水殺菌部
１０４ 養水冷却部
１０５ 加温部
１０６ 補助加温部
１８１ 太陽熱温水パネル
１８２ 空調機
２００ 植物
３０３ 制御部
３０７ センサ
３０８ 超音波波形発生部
３０９ 増幅器
４６４ 電極
４６５ 電極
４７１ａ 絶縁容器
４７１ｂ 絶縁容器
４７３ａ 蓋部
４７３ｂ 蓋部
４７４ａ 開口
４７４ｂ 開口
４８０ａ 容器本体
４８０ｂ 容器本体
５１８ エアポンプ
５１９ ノズル
５２０ 気泡発生部
５６４ 第１電極
５６５ 第２電極
６５４ 導電部
６５５ 絶縁部
６５６ 導電部
６５７ 絶縁部
６６４ 電極
６６５ 電極

Claims (12)

1. 植物を養液栽培するための栽培槽（101）と、
   前記栽培槽（101）に養水を循環供給する養水供給部（102）とを備え、
   前記養水供給部（102）は、養水殺菌部（103）を有し、
   前記養水殺菌部（103）は、殺菌槽（61）、該殺菌槽（61）内において放電を発生させる放電部（62）、前記殺菌槽（61）内の前記養水に超音波を照射する超音波発生部(94)及び殺菌槽（61）内の養水を加温する加温部（105）を有し、
   前記放電部（62）は、電極対（64,65、464,465、564,565,664,665）及び該電極対（64,65、464,465、564,565,664,665）と接続された電源部（70）を有し、前記放電によって前記養水中に水酸ラジカルを生成するように構成されており、
   前記超音波発生部（94）は、生成した水酸ラジカルが変化して生成する前記養水中の過酸化水素を水酸ラジカルに変換するように構成されていることを特徴とする植物栽培装置。
2. 前記放電部（62）及び超音波発生部（94）の運転及び停止を制御する制御部（303）をさらに備え、
   前記制御部（303）は、前記殺菌槽（61）内の前記養水に含まれる過酸化水素の濃度が所定の範囲内となるように、放電部（62）及び超音波発生部（94）の運転及び停止を制御することを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。
3. 前記制御部（303）は、前記殺菌槽（61）内の前記養水に含まれる過酸化水素の濃度が、
   予め設定した下限値に達するまでは、放電部（62）を運転状態とし、前記超音波発生部（94）を停止状態とし、
   前記下限値に達した後、予め設定した上限値に達するまでは、放電部（62）及び前記超音波発生部（94）を運転状態とし、
   前記上限値に達した後、前記下限値に達するまでは、放電部（62）を停止状態とし、前記超音波発生部（94）を運転状態とすることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培装置。
4. 前記殺菌槽（61）内の前記養水に含まれる過酸化水素の濃度を測定するセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項２又は３に記載の植物栽培装置。
5. 前記電極対（564,565）は、互いに対向するよう配置された板状の電極により構成され、
   前記電源部（70）は、前記電極対（564,565）にパルス電圧を印加するパルス電源であり、
   前記放電部（62）は、前記電極対（564,565）の間において前記養水中に気泡を発生させる気泡発生部（520）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の植物栽培装置。
6. 前記加温部（105）は、太陽熱温水パネルを用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の植物栽培装置。
7. 前記加温部（105）は、空調機の廃熱を用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の植物栽培装置。
8. 前記養水殺菌部（103）は、ヒーターを用いた補助加温部（106）を有していることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の植物栽培装置。
9. 前記養水供給部（102）は、前記養水殺菌部（103）と前記栽培槽（101）との間の経路に設けられた養水冷却部（104）を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の植物栽培装置。
10. 殺菌槽（61）内の養水中において放電を発生させることにより、前記養水中に水酸ラジカルを発生させ、生成した水酸ラジカルが変化して生成した過酸化水素を含む養水に超音波を照射することにより前記養水中の過酸化水素を水酸ラジカルに変換すると共に、前記養水を加温することにより、前記養水を殺菌するステップと、
    殺菌した前記養水を植物を養液栽培する栽培槽（101）に供給するステップとを備えていることを特徴とする植物栽培方法。
11. 前記放電は、第１電極(64)と、該第１電極（64）を収容し、開口を有する絶縁容器（71）と、前記開口と対向する位置に配置された第２電極（65）とを有する放電部（62）を用い、前記第１電極（64）と前記第２電極（65）との間に電圧を印加することにより発生させることを特徴とする請求項１０に記載の植物栽培方法。
12. 前記過酸化水素水を供給した養水の加温は、太陽熱又は空調機の廃熱により行うことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の植物栽培方法。

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