JP2019517254A - 垂直式植物栽培密閉システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の見地によれば、垂直式植物栽培密閉システムは、以下を含むように設置される。【解決手段】旧式の装置を低減するととともに霧状細分化栄養素を含む動きを低減する。植物根固定点を通って上方に放出することにより、霧状細分化栄養素の移動方向を制御する。霧状細分化栄養素は、霧状細分化栄養素の密度を基礎とするレベルまで一定に降下する。植物根固定点が横たわった上部にＨＯＦ（５）の位置を最低１ヶ所において固定する。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオテクノロジー、植物成長促進システム、装置および方法に関し、とりわけ超音波振動によりエアロゾル化した栄養素を組合せた霧栽培（fogponics）植物栽培密閉システムに関する。

超音波振動によりエアロゾル化した栄養素を組合せた霧栽培（fogponics）の農業システムは、水耕栽培農業システムから発達した。
システムは、水と栄養素溶液を揺り動かすための高周波を送る超音波ヘッドを有している。
高周波により水を振動させると、それらは揮発して低温の霧に変わる。揮発した霧はさらに上部にある空気を通過して浮遊し、根に付着する。
研究によれば、超音波ヘッドは植木鉢の底部ちかくに設置される。そして霧の浮遊体は植物の根に付着する。
しかしながら、霧状溶液を引込むための植木鉢上方に固定された給水システムに必要なファン（fan）が設置されているため、揮発した霧状浮遊体は２フィートの高さ制限を超えて浮遊する。
ファンは、霧状浮遊体を上に向かって通過させる。

同時係属中の米国特許出願公開第５１３６８０４号明細書によれば、給水システムには超音波ヘッドが設置され、植木鉢の底部には霧状浮遊体をより高く押上げるための押出ファンが設置される。
ここで、当該ファンは超音波ヘッドの上方にある。

しかし霧栽培（fogponics）の問題は、商業的に産業的な栽培には適用することができず、また適していないことである。

１．給水システムは、タワー型植木鉢の上方に引込ファンが設置されており、充分な高さまで浮上がるように霧を引込むことができない。
霧の高さレベルは、引込ファンの出力により変化する。充分に高出力の引込ファンについては、低出力のファンを使用するよりもさらに高く霧が浮遊する。
しかしながら、より高くまで霧を流すシステムであることは、密閉されたシステム内においてより高温であることと引換になる。
また引込ファンの高い温度により、植木鉢のさらに上方にある植物は枯れてしまうおそれがある。しかしながら背の低いタワー型植木鉢は生産性が低く、それゆえに商業的に産業利用することはできない。

２．霧栽培（fogponics）システムおよび水耕栽培システム（aeroponics）は、他の無土壌栽培システムとは性質が異なっている。
霧栽培（fogponics）システムにおいては、根に霧が付着しており、常時湿っている。システムが失敗したときは、それから１２時間以上も霧は根に付着せず、根は乾燥し、植物は急速に枯れてしまった。
霧栽培（fogponics）システムにはすべての植木鉢に引込ファンが必要であり、そのことが商業的な産業において霧栽培（fogponics）を適用することの主要な問題点となっている。
引込ファンは、霧栽培（fogponics）システムにとって非常に重要な構成要素である。

ある研究者は、すべての植木鉢ごとにセンサを設けることで問題解決できることを示している。
しかしながら、この方法は高コストである上に、植物は低価格の作物である。
そのため、超音波振動によりエアロゾル化した栄養素を組合せた水耕栽培（fogponics）システムは商業的な産業に適したものではない。

米国特許出願公開第５１３６８０４号明細書

本発明の見地によれば、垂直式植物栽培密閉システムは、以下を含むように設置される。
霧栽培（fogponics）システムの旧式の装置を低減するととともに霧状細分化栄養素の動きを低減する。
植物根固定点を通って上方に放出することにより、霧状細分化栄養素の移動方向を制御する。
霧状細分化栄養素は、霧状細分化栄養素の密度を基礎とするレベルまで一定に降下する。少なくとも１つの位置に植物根固定点が横たわった上部にＨＯＦ（５）の位置を固定する。

本発明のすべての観点を取込む実施形態を、以下、図面とともに参照する実施例を通じて記載する。
図１は、本システムの実施形態に従った植物栽培空間システムのブロック図である。

［発明の詳細な説明］
本願発明において示す当該目的の「密閉システム」は全空間を密閉する植物成長技術であり、密閉システムの環境を制御しうる。図１に示すように、それは当該密閉システムを記載しうる。
目的とするシステムは空間を２つの部分に区切っており、１つ目は４つの側壁と上部壁・下部壁からなる成長空間（１）であり、２つ目は他の側壁から明確に分離した環境制御ユニット（２）である。
光源（４）は光制御ユニット（１４）により送出され、有線システムを通じて信号を送信する。
音源（１７）は、音声制御ユニット（１５）により送られる。
「空気移動源 兼 熱源」（air movement and temperature sources）（９）は、２つの部分の間に設置されるとともに、空気移動兼温度制御ユニット（１０）により接続される。
成長空間（１）と環境制御ユニット（２）は、密閉システムの内外に植物を運ぶための１つの出口（１３）を有しており、このシステムを維持する。

密閉システム環境とその制御システムの管理は、上部壁もしくは４つの側壁の上に、および／または、タワー型植木鉢（３）の間に固定されている光放出用の光源（４）を含んでいる。
研究によれば、光強度は植物の成長速度に影響する。赤い光と青い光の光強度は、植物の成長速度に対して最も効果的な２つの光源である。
その他の種類の植物ならびに成長した植物の他の期間は、光強度の調節の検証を要求する。例えば、葉植物の段階では、青い光よりも赤い光の高い光強度を必要とする。

光源（４）の操作は、環境制御ユニット（２）内に設置された光強度を制御する光制御ユニット（１４）に接続される。
６つの全側壁ならびに成長空間（１）内の外部の植木鉢において音源（１７）を設置することができる。
研究に関していえば、音声は植物の成長速度に影響を及ぼす。植物の成長に適した音声の１つは、音楽である。さらに大変適切な音楽の１つは、クラシック音楽である。
音源は全側壁に設置することが可能であり、環境制御ユニット（２）内の音声制御ユニット（１５）を通じて有線接続される。
「空気移動源 兼 熱源」（９）は、４つの側壁および上部・下部の側壁に設置可能である。空気移動源兼熱源（９）の操作は、「空気移動兼温度制御ユニット」（１１）を通じてガスタンク（１２）から二酸化炭素をどのように移動するかを示し、それから（９）において制御された空気が次の制御ユニットを通って流れる。
空気移動制御ユニット（１０）は、空気移動兼温度制御ユニット（１１）を再度通過して流れる空気の動きを発生させる。適温は、植物の型に依る。
学習と研究によれば、密閉システムは温度を摂氏５〜３５度に制御するために、絶縁体抵抗１５〜４５時間平方フィート華氏温度／英式熱量単位（ＢＴＵ）を有する必要がある。

空気の移動は、植物の成長速度に対する１つの効果的なパラメータである。
５００〜２０００マイクロモル／モルの二酸化炭素を成長空間内の全植物へと定常的に運ぶことができ、植物の葉に付着した酸素が残存しないように、空気移動源は適切に設置されるべきであり、空気の動きの速度は０．５〜３ｍ／ｓとすべきである。
空気の移動は、植物の型に基づいて植物の葉の周辺の湿度を４０〜８０％に固定するように制御する。

栽培システムは、当該システムに従って多くの栄養素給送技術、例えば、水素栽培（hydroponics）、水栽培（aquaponics）、水耕栽培および霧栽培、を有している。
必要とされる霧状細分化栄養素は、栄養素溶液の形で密閉システムへと給送される。
また、異なる植物成長システムは異なる給送手法を有する。
例えば、水素栽培（hydroponics）は、液体の形で必要とされる霧状細分化栄養素を給送する。
霧栽培（fogponics）は、霧状細分化栄養素の形で必要とされる栄養素溶液を給送する。

本発明は、霧栽培（fogponics）の給送技術を記述する。植物はタワー型植木鉢（３）の中に置かれ、それらの根は当該タワー型植木鉢の内部に固定される。
霧状細分化栄養素は加湿器もしくは霧発生器（ＨＯＦ）（５）により生じ、植物の根を通って、それから霧状細分化栄養素の溶液に戻って霧状細分化栄養素復帰トレイ（６）に集められ、再生タンク（７）に霧状細分化栄養素の溶液を戻して、ふたたび再生することが望ましい。
そして霧状細分化栄養素の溶液は脱イオン水に変えられ、霧状細分化栄養素タンク（８）に蓄えられる。
それから霧状細分化栄養素を、ＨＯＦ（５）に再び噴射する溶液霧発生器（１６）へと給送する。
霧状細分化栄養素復帰トレイ（６）と霧状溶液発生器（１６）は、システムの湿度を一定に制御する溶液霧発生器（１６）と接続するいくつかの管を有する。

本発明の観点によれば、垂直式植物栽培密閉システムは植物成長栽培の密閉システムとして記述され、以下を含んでいる。

Ａ． ＨＯＦ（５）は、（i）超音波ヘッド、および／または、（ii）霧状溶液発生器（１６）に接続された霧状細分化栄養素管のなかから選択できる。
霧状溶液発生器（１６）とＨＯＦ（５）は、音波よりも高い高周波を発生し、かつ適切な周波数は「１〜７メガヘルツ」である。
最適な周波数は１〜５メガヘルツであり、霧栽培密閉システムに適した「３〜７ミクロン」の霧状細分化栄養素溶液を発生させる。

Ｂ．タワー型植木鉢（３）は、垂直面において植物が成長可能な当該システムの植木鉢である。同タワー型植木鉢は、密閉システムにことさら特別に適しており、以下を具備している。

１．タワー型植木鉢（３）の表面積は、植木鉢の内側から測定する。そして、その面積は少なくとも０．０１〜１平方メートルでなければならない。
当該の適切な植木鉢の面積は、湿度１００パーセントに対して霧状細分化栄養素強度を制御するため、０．０１〜０．５平方メートルである。

２．タワー型植木鉢（３）の材料としては、密閉システムの温度に適するものを価格・浸食性・軽量性を考慮して手頃なものを選択する。
研究からは、タワー型植木鉢を製造する適切な材料としては、塩化ポリビニル・ポリエチレン・ポリプロピレン・ステンレス鋼３１６Ｌ・ステンレス鋼３０４・ステンレス鋼３０８もしくはこれらと同等なものがある。
最も適切な材料は、浸食が少なく軽量で安価な塩化ポリビニルである。

３．植物根固定点の準備には２つの設計事項があり、第１の設計事項はステンレス鋼３１６Ｌ・３０４・３０８又はこれらと同等なものを型入れして作製したり、もしくはポリビニル・ポリエチレン・ポリプロピレンを使用した可塑性材料により形成することである。
その他の設計事項は、植木鉢の周囲を丸く切削することにより通常の植木鉢から作成することである。
切削穴は、円形か多角形かそれに近いものであり、その直径は３０〜５０ミリメートルであり、植物管と接続されるものであって、接続される植物管についてもまた植物根固定点として考慮する。
切削穴の最も適切な直径は３５〜４０ミリメートルである。なぜなら、この寸法は密閉システムにおける植物成長に適しているからである。

４．前記タワー型植木鉢（３）からの植物根固定点は角度３０〜８０°に曲げられており、且つ垂直距離においてはその整数倍である。
その角度により、このシステムは、他の植物密閉システムとは異なっている。
本願密閉システムにおける光制御に関して、成長に最も適しているのは角度４５°である。

５．タワー型植木鉢（３）は曲面状の表面を有し、密閉システム内において全箇所に光を散乱する。
プラスチック塗布技術によれば、表面またはプラスチックの原色に薄膜を張るためには、光合成の光子束密度は、１００〜１０００［ミクロンモル／平方メートル・秒］である。
適切な光合成の光子束密度は、１００〜５００［ミクロンモル／平方メートル・秒］である。

６．タワー型植木鉢（３）の最も高いところにある植物根固定点は、ＨＯＦ（５）から約８〜５０センチメートル離れたところに設定される。
側壁および／または上部壁および／またはＨＯＦ（５）から植物を防ぐための光学距離は、８〜１３センチメートルである。
タワー型植木鉢（３）の底および最も低い植物根固定点は、約８〜３０センチメートルの光学距離を有するべきであり、最大の光学範囲は８〜１３センチメートルである。
密閉システムにおける植物根の長さを制御するためである。
本願発明の密閉システムは、光制御技術のために、植物の根とタワー型植木鉢（３）の底の間の距離を他のシステムよりも短く設定する。

霧栽培（fogponics）システムにおける霧状分子の流れの研究からは、霧状溶液分子の方向は、植物根固定点を通って押され、及び／又は、引かれて、停止速度０に戻る。
その後、水と溶液は、霧密度の程度に基づいてしたたり落ちる。
霧は植物根と同一の高さにおいて溶液へと変わる。
本発明の新たな目的は、霧栽培（fogponics）の第１の区画を削減した霧状細分化栄養素の方向を制御し、霧状細分化栄養素の溶液を押したり若しくは引いたりして速度０に戻るが、しかしながら霧状細分化栄養素を植物根に対して下方に向けて浴びせることで、その密度が一定になる。

本願発明の一目的は、ファンがなくとも、タワーから霧状細分化栄養素を浴びせることである。
霧状細分化栄養素は、他の霧栽培システムよりも速やかに一定密度になる。
なぜなら、霧状細分化栄養素の移動距離はより短いからである。
霧状細分化栄養素は、一定の粒子密度に移行する。なぜなら、霧状細分化栄養素はファンからの熱を有さないからである。
霧状細分化栄養素の動く方向を制御する本願発明の一目的は、タワー型植木鉢（３）上の植物根固定点の上方にあるＨＯＦ（５）の位置を最低１ヶ所において特定することである。

Claims (10)

1. 垂直式植物栽培密閉システムは、
   全空間が密閉されるよう構成され、
   ４つの側壁および上部壁・下部壁から成る成長空間（１）、光と温度と成長空間（１）の空気の動きを制御する環境制御ユニット（２）を有する密閉空間の環境を制御可能であって、
   
   植物根固定点の角度が３０〜８０°であって且つ垂直距離においてはその整数倍であり、かつ少なくとも１箇所におけるタワー型植木鉢上における植物根固定点の上方にあるＨＯＦ（５）の位置が同一であるタワー型植木鉢（３）、
   を具備する。
   
2. 最も背の高いタワー型植木鉢（３）における植物根固定点が、前記ＨＯＦ（５）から約８〜５０センチメートル離れたところに設定される
   請求項１に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
3. 前記ＨＯＦ（５）は、
   超音波ヘッド、および／または、ＨＯＦ（５）からの霧状細分化栄養素管のなかから選択でき、
   ３〜７ミクロンの適切は霧状細分化栄養素を発生させるために適切な１〜７メガヘルツの高周波を発生させる
   請求項１又は２に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
4. 前記タワー型植木鉢（３）の底および最も低い植物根固定点は、約８〜３０センチメートルの光学距離を有する
   請求項１又は２に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
5. 前記垂直式植物栽培密閉システムは、
   
   １つ目としては４つの側壁と上部壁・下部壁からなる成長空間（１）であり、２つ目としては他の側壁から明確に分離した環境制御ユニット（２）である、当該密閉システムを２つの部分に区切る空間と、
   有線システムを通じて信号を送信する光制御ユニット（１４）により送出される光源（４）と、
   音声制御ユニット（１５）により送られる音源（１７）と、
   空気の動きと温度制御ユニット（１０）により接続され、２つの部分の間に設置される空気移動源兼熱源（air movement and temperature sources）（９）と、
   上部壁もしくは４つの側壁の上に、および／または、タワー型植木鉢（３）の間に設置されている光放出用の光源（４）であって、当該光源（４）の操作は環境制御ユニット（２）内に設置された光制御ユニット（１４）に接続された光源（４）と、
   を具備し、
   
   前記空気移動源兼熱源（９）は、成長空間（１）内における４つの側壁および上部・下部の側壁に設置可能であり、
   当該空気移動源兼熱源（９）の操作は、空気移動兼温度制御ユニット（１１）を通じてガスタンク（１２）からどのように二酸化炭素が移動するかを示し、
   それから（９）において制御された空気が次の制御ユニットを通って流れ、
   
   前記空気移動制御ユニット（１０）は、空気移動兼温度制御ユニット（１１）を再度通過して流れる空気の動きを発生させ、
   制御温度は摂氏５〜３５度であり、
   空気移動源は適切に固定すべきであり、空気の動きの速度は０．５〜３ｍ／ｓとすべきであり、５００〜２０００マイクロモル／モルの二酸化炭素を成長空間内の全植物へと定常的に運ぶことができ、植物の葉に付着した酸素が残存しないようにでき、
   空気移動によって植物の葉の周辺の湿度を４０〜８０％に固定するように制御する。
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
6. タワー型植木鉢（３）の材料は、
   塩化ポリビニル・ポリエチレン・ポリプロピレン・ステンレス鋼３１６Ｌ・ステンレス鋼３０４・ステンレス鋼３０８もしくはこれらと同等なもののいずれか１つである
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
7. 前記植物根固定点の準備には２つの設計事項があり、
   第１の設計事項はステンレス鋼３１６Ｌ・３０４・３０８又はこれらと同等なものを型入れして作製することであり、
   第２の設計事項は、前記タワー型植木鉢（３）に接続されたポリビニル・ポリエチレン・ポリプロピレンを使用した可塑性材料により形成することである。
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
8. 前記植物根固定点の設計事項は、
   植木鉢の周囲を丸く切削することにより通常の植木鉢から作成することであり、
   当該切削穴は、円形か多角形かそれに近いものであり、適切な直径は３０〜５０ミリメートルであり、植物管と丸く接続されるものであって、接続される植物管についてもまた植物根固定点として考慮する
   請求項７に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
9. 前記タワー型植木鉢（３）は、適切な光合成の光子束密度が１００〜１０００［ミクロンモル／平方メートル・秒］である
   請求項１乃至８のいずれか１項に記載の垂直式植物栽培密閉システム。
   
10. 環境制御ユニット（２）内の音声制御ユニット（１５）によって送られる音源（１７）は、６つの全側壁ならびに成長空間（１）内部の外側の植木鉢に設置される
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の垂直式植物栽培密閉システム。

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