JP2023068144A - 環境制御農業用の垂直栽培タワー搬送システム - Google Patents

Abstract

【課題】垂直農業構造体であって、垂直栽培タワーと、当該垂直栽培タワーを制御された照明、空気流、湿度、及び栄養サポートに暴露しつつ制御環境内を通過させるための関連搬送機構と、を含む垂直農業構造体を提供する。【解決手段】本開示は、垂直栽培タワーを制御環境内で搬送するための費用効率の高い機構を提供する往復運動カム機構を記載する。栽培タワー上で成長する作物の割出しを行うため、往復運動カム機構は、栽培タワーが制御環境内で搬送される際に、それらの間隔が増大するように配置できる。更に、本開示は、水性栄養液を栽培タワーに供給する灌漑システムも記載する。【選択図】図５

Description

関連出願の相互参照
本願は、あらゆる目的のため引用して本明細書に援用する2018年3月21日付けの米国特許仮出願第62/761,366号及び2018年10月30日付けの米国特許仮出願第62/752,974号の優先権を主張する。

本開示の技術分野
本開示は概ね環境制御農業に関し、より詳細には、垂直植物生産システム用の運搬及び灌漑システムに関する。

関連技術の説明
背景技術の項目で説明されている主題は、その背景技術の項目で言及されていることのみによって従来技術と見なされるべきではない。同様に、その背景技術の項目で言及されている問題又はその背景技術の項目の主題に関連した問題が、従来技術で以前から認識されていたと見なすべきでない。背景技術の項目の主題は異なるアプローチを単に示しているにすぎず、それらアプローチは、請求項に記載された技術の実装例にも対応しているかもしれない。

20世紀において、農業は、保守的な産業から変化が速い高度技術産業へと徐々に進化し始めていた。世界規模の食糧不足、気候変動、及び社会変化が、手作業で行われる農業技法からコンピュータで実現する技術へ遷移する原動力となっていた。過去において、さらには今日でも多くの場合は、農業者にとっては、自身の収入を及び食料生産を決定する作物を生産する生育期は年間通じて1回しかなかった。しかし、これは変わりつつある。室内栽培が選択肢としてあり、データ処理技術の利用が向上しているため、農業科学はより小回りのきくものになっている。新たなデータが収集され、見識が得られるにつれ、農業は適応し且つ知識が積み上げられている。

技術的発展によって、「環境制御農業」の出現とともに自然の影響を制御することが可能になりつつある。空間利用、照明の効率向上、水耕栽培、空中栽培、収穫サイクルに対する理解の向上、及び環境制御システムの進歩によって、人類は、単位面積当たりの収穫量増加、栄養性の向上、及び費用軽減といった目標を掲げた農作物成長に資する環境を上手く再現可能になった。

両方とも本開示の譲受人に譲渡されており、引用してその全体を本明細書に援用する米国特許出願公開第2018/0014485号及び第2018/0014486号には、環境制御を施した垂直農業システムが記載されている。垂直農業構造体(例えば、垂直柱状体)を、自動搬送システムの周りを開又は閉ループ方式で移動させることができ、理想的な栄養サポートを与えつつ正確に制御された照明、空気流、及び湿度に暴露できる。
米国特許出願公開第2018/0014485号公報 米国特許出願公開第2018/0014486号公報

米国特許出願公開第2017/0055460号(発明者ブルサトア)は、連続的で自動化された植物栽培システムを記載している。垂直配置された植物支持アームが、中央軸から放射状に延伸している。各アームは、植物の苗、液体栄養素、及び水を受け取る鉢容器を含んでいる。これら鉢植えアームは、栽培ランプ及び受粉アームの下方で回転される。しかし、植物と植物との間の間隔は固定されているようである。
米国特許出願公開第2017/0055460号公報

本開示は垂直農業構造体であって、垂直栽培タワーと、当該垂直栽培タワーを照明、空気流、湿度、及び栄養サポートなどの制御環境に暴しつつ制御環境内を通過させるための関連搬送機構と、を含む垂直農業構造体に関する。本開示は、垂直栽培タワーを制御環境内で搬送するための費用効率の高い機構を提供する往復運動カム機構を記載する。栽培タワー上で成長する作物の割出し(index)を行うため、往復運動カム機構は、栽培タワーが制御環境内で搬送される際に、それらの間隔が増大するように配置できる。更に、本開示は、水性栄養液を垂直栽培タワーに供給する灌漑システムも記載する。

図1は、例示的な環境制御農業システムを示す機能ブロック図である。 図2は、例示的な環境制御農業システムの透視図である。 図3A及び3Bは、例示的な栽培タワーの透視図である。 図4Aは、例示的な栽培タワーの上面図であり；図4Bは、例示的な栽培タワーの上面透視図であり；図4Cは、例示的な栽培タワーの一区分の正面図であり；図4Dは、例示的な栽培タワーの一部の正面断面図である。 図5Aは、例示的な栽培ラインの一部の透視図である。図5Bは、例示的なタワーフックの透視図である。 図6は、例示的な栽培ライン及び往復運動カム機構の一部の分解透視図である。 図7Aは、例示的な往復運動カム機構の動作を示す連続図である。 図7Bは、伸縮継手を含む代替的なカムチャンネルを示す。 図8は、例示的な栽培ライン及び灌漑供給管のプロファイル図である。 図9は、例示的なタワーフック及び一体式漏斗構造体の側面図である。 図10は、例示的な栽培ラインのプロファイル図である。 図11Aは、例示的なタワーフック及び一体式漏斗構造体の透視図である； 図11Bは、例示的なタワーフック及び一体式漏斗構造体の断面図である； 図11Cは、例示的なタワーフック及び一体式漏斗構造体の上面図である。 図12は、例示的なキャリッジアッセンブリの正面図である。

この記載は、様々な例示的実施形態が示されている添付した図面を参照する。しかし、多くの異なる例示的な実施形態を利用でき、従って、この記載は本明細書で説明された例示的な実施形態に限定されていると解釈すべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本開示が詳細且つ完全となるように記載されている。例示的な実施形態の様々な変更は当業者には容易に明らかとなるはずであり、本明細書に記載された一般的な原理は、本開示の要旨及び範囲から逸脱することなく、他の実施形態や応用例にも適用できる。従って、本開示は、図示した実施形態に限定されるものではなく、本明細書に開示された原理及び特徴に一致した最も広い範囲が認められるべきである。

以下に、高密度栽培及び高収穫量を得るために構成された垂直農業生産システムを記載する。図1及び2は、本発明の1つの可能な実施形態に従った環境制御農業システム10を図示する。高い段階においては、システム10は、環境制御栽培チャンバ20と、栽培チャンバ20内に設置された垂直タワー搬送システム200であってその内部に配置された作物を備えた栽培タワー50を運搬するよう構成された垂直タワー搬送システム200と、中央処理設備30と、を含むことができる。栽培可能な作物又は植物は、重力屈性/屈地性及び/若しくは光屈性のもの、又はそれらの組合せでよい。こうした作物又は植物種は多種多様であり、様々な葉菜類、果実的野菜、開花作物、果物等を含むことができる。環境制御農業システム10は、一度に一種類の作物を栽培するか又は同時に複数種類の作物を栽培するよう構成できる。

システム10は、栽培タワーを作物の成長周期全体を通じて循環路で移動させる搬送システムも含むことができ、この循環路は、栽培タワーを垂直タワー搬送機構200に積載し且つ取り出すよう構成された中間準備区域を含んでいる。中央処理システム30は、栽培タワーを中央処理システム30内のステーションに、例えば植物を栽培タワーに積載し且つ作物をそこから収穫するためのステーションに向けて送るための1つ以上の運搬機構を備えることができる。垂直タワー搬送システム200は、栽培チャンバ20内で、1つ以上の栽培タワー50を支持し且つ栽培ライン202に沿って並進運動させるよう構成されている。各栽培タワー50は、内部で栽培する少なくとも1つの作物の根構造を支持する植物栽培培地を収容するよう構成されている。さらに、各栽培タワー50は、垂直配向で栽培ライン202に解放可能に取り付けられ、栽培段階では、栽培ライン202に沿って移動するように構成されている。垂直タワー搬送システム200と中央処理システム30(関連付けられた搬送機構を含む)とを合わせて、1つ以上のコンピュータシステムの制御下に、生産循環路に配置できる。

栽培環境20は、垂直タワー搬送システム200の複数栽培ライン202の間の又はそれらに沿った様々な位置に配置された発光源を含むことができる。これら発光源は、栽培ライン202の栽培タワー50に対して横方向に配置し、作物が成長する開口部を含む栽培タワー50の側面に向かって光を放射するよう構成できる。これら発光源は、その開示の内容を引用して本明細書に援用する米国特許出願公開第2017/0146226A1号に記載された水冷式のLED照明システムに組み込んでもよい。こうした実施形態では、こうしたLED照明は、棒状の構造体に配置してもよい。この棒状構造体は、隣接する栽培タワー50の全長に対して概ね横方向に光を放出するように垂直に配向すればよい。複数の照明棒状構造体は、栽培環境20内で、栽培ライン202に沿って且つそれら間に配置すればよい。他の照明システム及び構成を使用してもよい。例えば、照明棒は栽培ライン202の間に水平に配置してもよい。

又、環境制御農業システム20は、作物が栽培チャンバ20を通って並進運動する際に、作物に水性作物栄養液を供給するよう構成された栄養供給システムを含むこともできる。後に詳述するように、この栄養供給システムは、水性作物栄養液を栽培タワー50の上部に供給できる。重力によって、栄養液は、垂直配向された栽培タワー50の全長を下方向に移動し、栄養液を栽培タワー50の全長に沿って配置された作物に供給できる。さらに、栽培環境20は、任意のタワーが栽培ライン202に取り付けられると、空気流を、栽培植物の成長の横成長方向で天蓋下を通るように送出して、栽培植物の天蓋下の境界層を攪乱するよう構成された空気流源を含むこともできる。他の実装例では、空気流は、天蓋の頂部から又は植物成長の方向に直角に流れるようにしてもよい。さらに、栽培環境20は、温度、空気流速、相対空気湿度、及び雰囲気炭酸ガス含有量などのうち少なくとも1つの成長条件を調節するための制御システム及び関連センサを含むことができる。この制御システムは、例えば、暖房、換気及び空調ユニット、冷却装置、ファン、並びに関連したダクト系統及び空気処理機器などのサブシステムを含む。栽培タワー50は、識別属性(例えばバーコード又は無線認証タグ)を備えていてもよい。環境制御農業システム10は、農業生産周期の様々な段階で栽培タワー50を追跡するため、且つ/又は栽培環境の1つ以上の条件を制御するための対応するセンサ及びプログラミング・ロジックを含むことができる制御システムの動作及びタワーが栽培環境内に留まる時間は、作物の種類や他の要因などの様々要因によって大きく変化しうる。

上述したように、作物又は苗が新たに移植された栽培タワー50は、中央処理システム30から垂直タワー搬送システム200内に移送される。後に詳述するように、垂直タワー搬送システム200は、複数の栽培タワー50を、栽培環境20内のそれぞれの栽培ライン202に沿って管理された方法で移動させる。栽培タワー50に配置された作物が、栽培環境の制御条件(例えば、光、温度、湿度、空気流、水性栄養供給など)に曝される。収穫量、視覚的な魅力、及び栄養含有量などの様々な属性を継続的に改善するため、制御システムは、栽培チャンバ20内の栽培条件を最適化するための自動調節を行うことができる。さらに、米国特許公開出願第2018/0014485号及び第2018/0014486号には、垂直農業システムにおける機械学習及び他の演算の応用が記載されている。幾つかの実装例では、環境条件センサを栽培タワー50に、又は栽培環境20内の様々な位置に配置できる。作物の収穫準備が整えば、収穫される作物を備えた栽培タワー50は、収穫及びその他の加工動作のため、垂直タワー搬送システム200から中央処理システム30に移送される。

後に詳述するように、中央加工システム30は、苗をタワー50に投入し、タワー50から作物を収穫し、収穫されたタワー50を清掃するよう命令される処理ステーションを含むことができる。中央処理システム30は、そうした処理ステーション間でタワー50を移動させる搬送機構も含むことができる。例えば、図1に示したように、中央処理システム30は、収穫機ステーション32と、洗浄ステーション34と、移植機ステーション36とを含むことができる。収穫機ステーション32は、収穫された作物を食品安全容器に投入でき、それら容器を、本開示の範囲を超えた収穫後設備(例えば、準備、洗浄、包装、及び貯蔵)に搬送するための搬送機構を含むことができる。

環境制御農業システム10は、さらに、栽培タワー50を栽培環境20と中央処理システム30との間で移送するための1つ以上の搬送機構を含むことができる。図示した実装例では、中央処理システム30のステーションは、栽培タワー50に対して水平配向で動作する。一実装例では、自動ピックアップステーション43及び関連した制御ロジックは、積載位置から水平のタワーを解放可能に把持し、このタワーを垂直配向へと回転させ、このタワーを栽培環境20の選択した栽培ライン202に挿入するため移送ステーションに取り付けるよう動作可能とすればよい。栽培環境20の他端では、自動載置ステーション41、及び関連した制御ロジックは、垂直配向された栽培タワー50を緩衝位置から解放可能に把持し且つ移動させ、栽培タワー50を水平配向へと回転させ、それを収穫機ステーション32内に積載するために搬送システムの上に置くよう動作可能とすればよい。幾つかの実装例では、栽培タワー50が品質管理上の配慮から拒絶された場合は、搬送システムは、収穫機ステーション32を迂回して、その栽培タワーを洗浄ステーション34(又は他のステーション)まで運んでもよい。自動載置及びピックアップステーション41及び43は、それぞれがFANUCロボットのような6つの自由度のロボットアームを含むことができる。これらステーション41及び43は、対向端で栽培タワー50を解放可能に把持するためのエンドエフェクターを含むこともできる。

栽培環境20は、栽培タワー50を選択した栽培ライン202に挿入し且つ栽培タワー50を栽培ライン202から取り出すための自動積載及び取り出し機構を含むことができる。一実装例では、積載移送搬送機構47は、それぞれが栽培タワー50を積載したキャリッジを自動ピックアップステーション43から選択栽培ライン202に搬送するパワーアンドフリーコンベアシステムを含むことができる。垂直栽培タワー搬送システム200は、任意の栽培タワー50を特定し、制御ロジックの下で、その栽培タワー50のための栽培ライン202を選択するためのセンサ(例えば、無線認証又はバーコードセンサ)を含むことができる。栽培ライン選択のためのアルゴリズムは、複数の要素によって大きく異なることがあり、本開示の範囲を超える。積載移送搬送機構47は、栽培タワー50を栽培ライン202に押して乗せる1つ以上のリニアアクチュエータを含むこともできる。同様に、取り出し移送搬送機構45は、栽培ライン202からの栽培タワーを別のパワーアンドフリーコンベアシステムのキャリッジに押して乗せたり又は引いて乗せたりする1つ以上のリニアアクチュエータを含むことができ、この機構は、キャリッジ1202を栽培ライン202から自動載置ステーション41まで搬送する。図12は、パワーアンドフリーコンベアシステムで使用できるキャリッジ1202を示す。図示した実装例では、キャリッジ1202は、栽培タワー50に取り付けられたフック52に係合するフック1204を含む。ラッチアッセンブリ1206は、栽培タワー50がシステム内の様々な位置間を往復搬送されている間は、そのタワーを固定することができる。一実装例では、積載移送搬送機構47及び取り出し移送搬送機構45の一方又は両方は、栽培タワー50を緩衝できる区域を設定するために十分な軌道距離を確保するよう構成できる。例えば、取り出し移送搬送機構45は、収穫される一組のタワー50を取り出して、軌道の緩衝領域に移動されるキャリッジ1202に降ろすように制御できる。他端では、自動ピックアップステーション43は、栽培環境20に投入される一組のタワーを、積載移送搬送機構47に関連付けられた軌道の緩衝領域に設置されたキャリッジ1202に乗せることができる。

栽培タワー
栽培タワー50は、システム内で個々の作物が成長するための場所を提供する。図3A及び3Bに示したように、フック52は栽培タワー50の上部に取り付けられる。フック52によって、栽培タワー50が垂直タワー搬送システム200に挿入される際に栽培ライン202により支持されることが可能になる。一実装例において、栽培タワー50は5.172メートルの長さがあり、タワーの押出成形部の長さは5.0メートルであり、フックの長さは0.172メートルである。栽培タワー50の押出長方形プロファイルは、一実装例では、57mm x 93mm (2.25インチ x 3.67インチ)である。フック52は、その外形全体寸法が、栽培タワー50の押出プロファイルよりも大きくならないように設計されている。

栽培タワー50は、栽培タワー50の少なくとも1面に沿って配置された一組の栽培地点53を含むことができる。図4Aに示した実装例では、植物が栽培タワー50の対向側面から突出するように、栽培タワー50は対向面に栽培地点53を含んでいる。移植機ステーション36は、苗を栽培タワー50の空いている栽培地点53に移植でき、苗は完全に成熟して収穫可能になるまでその位置に留まる。一実装例において、栽培地点53の配向は、栽培ライン202に沿った栽培タワー50の移動方向に対して直角である。言い換えれば、栽培タワー50が栽培ライン202に挿入されると、植物は栽培タワー50の対向面から突出し、これら対向面は移動方向に平行である。両面構成が好ましいが、本発明は、植物が栽培タワー50の片側面に沿って栽培されるような片面構成で使用することもできる。

あらゆる目的のため引用して本明細書に援用する2018年5月1日付けの米国特許仮出願第15/968,425号は、本発明の様々な実施形態とともに使用できる例示的なタワー構造構成を介している。栽培タワー50は、それぞれ互いに嵌りあって単一の構造体を形成する3つの押出品から成るものとすればよい。図示したように、栽培タワー50は、両面式の水耕栽培タワーとすることができ、タワー本体103は、第1タワーキャビィティー54a及び第2タワーキャビィティー54bを形成する中央壁56を含む。図4Bは、各前面プレート101が、タワー本体103にヒンジ式に結合されている代表的な両面式で多部品の水耕栽培タワー50の透視図を示す。図4Bでは、各前面プレート101は閉位置にある。タワーキャビィティー54a及び54bの断面は、1.5インチ×1.5インチ～3インチ×3インチの範囲とすればよく、「タワーキャビティー」という用語は、タワーの本体の内部でタワー面プレートの背後の領域をいう。栽培タワー50の壁の厚さは、0.065～0.075インチの範囲内でよい。図4A及び4Bに示したもののような両面式栽培タワーは、2つの背中合わせのキャビティーを備えており、それぞれが上記の寸法の範囲内であることが好ましい。図示した構成では、栽培タワー50は、(i)タワー本体103の第1側面の全長にわたる第1V字型溝58aであって、第1タワーキャビィティーと第2タワーキャビィティーとの間で中央に位置する第1V字型溝58aと；(ii)タワー本体103の第2側面の全長にわたる第2V字型溝58bであって、第1タワーキャビィティーと第2タワーキャビィティーとの間で中央に位置する第2V字型溝58bとを含むことができる。V字型溝58a及び58bは、中央処理システム30内の1つ以上のステーションによるタワー50の位置決め、位置合わせ、及び/又は供給を容易にすることができる。米国特許仮出願第15/968,425号は、本発明の実施形態で使用可能なタワーの構造及び使用に関する付加的詳細を開示している。V字型溝58a及び58bの別の属性は、これらが中央壁56を効果的に狭めて、植物の根が位置する中央で水性栄養液の流れを促進することである。

図4C及び4Dに示したように、各栽培タワー50は、あらゆる目的のため本明細書に援用するそれぞれ2018年3月2日に提出され、共同譲渡され且つ同時係属中の米国特許出願第15/910,308号、第15/910,445号、及び第15/910,796号の何れかに開示されたプラグホルダのような適合するプラグホルダ158とともに使用する複数の切り抜き105を含むことができる。図示したように、プラグホルダ158は、前面プレート101及び栽培タワー50の垂直軸に対して45度の角度で配向されている。しかし、本願で開示されたタワー設計は、この特定のプラグホルダ又は配向との使用に限定されるものでなく、本明細書で開示されたタワーは、任意適切な寸法の且つ/又は配向のプラグホルダと共に使用してよいことは理解すべきである。よって、切り抜き105は、このタワー設計を限定するのではなく例示することのみを意図しており、本発明は、他の切り抜き設計を備えたタワーにも同様に適用可能である。プラグホルダ158はタワー面101に超音波溶接、接合、又はそれ以外の方法で取り付ければよい。

ヒンジ式前面プレートを使用すると、栽培タワーの製造に加えてタワーの維持全般、特にタワーの清掃が容易になる。例えば、栽培タワー50を清掃するには、面プレート101を本体103から広く開ければ(すなわち開放すれば)、本体キャビィティー54a又は54bに簡単に到達できる。清掃後に、面プレート101は閉じられる。面プレートは、清掃工程では常にタワー本体103に取り付けられた状態を維持するので、部品の位置合わせを維持することは容易であり、さらに、各面プレートを適切なタワー本体に確実に関連付けることや、両面式タワー本体であれば、各面プレート101を確実に特定のタワー本体103の適切な側面に適切に関連付けることが容易となる。さらに、面プレート101を開放位置にした状態で植え付け及び/又は収穫作業を行う場合、両面構成に関しては、両方の面プレートは開放すれば同時に植え付け且つ/又は収穫が可能なので、一方の側面で植え付け且つ/又は収穫した後でタワーを回転して他方の側面で植え付け且つ/又は収穫する段階を省略できる。他の実施形態では、植え付け及び/又は収穫作業は、面プレート101が閉位置にある状態で実行される。

他の実装例も可能である。例えば、栽培タワー50は、当該タワーの面からタワー内部に延伸する一定体積(タワーの一部若しくは複数の個別部分、又はタワー長の全部)の培地又は吸い上げ培地を含む任意のタワー本体を備えることができる。引用して本明細書に援用する米国特許第8,327,582号は、栽培チューブであって、その一面から延伸するスロットと、チューブ内に収容される栽培培地とを備える栽培チューブを開示している。そこで示されているチューブは、その上端にフック52を含むように、さらに、複数の対向面にスロットを又は単一面に単一スロットを含むように改造できる

垂直タワー搬送システム
図5Aは、垂直タワー搬送システム200内の栽培ライン202の一部を示している。一実装例では、垂直タワー搬送システム200は、平行に配置された複数の栽培ライン202を含んでいる。上述したように、取り出し及び積載機構45及び47は、自動制御システムの下で、栽培ライン202から栽培タワー50を選択的に積載し、取り出す。図5Aに示したように、各栽培ライン202は、複数の栽培タワー50を支持している。一実装例では、栽培ライン202は、支持を目的として栽培構造体の屋根(又は他の支持体)にブラケットにより取り付けできる。フック52は栽培タワー50を引っかけて、それを栽培ライン202に取り付けることによって、タワーが垂直タワー搬送システム200内を並進運動される際にタワーを垂直配向に支持する。搬送機構が、それぞれの栽培ライン202に取り付けられたタワー50を移動させる。

図10は、本発明の可能な一実装例による栽培ライン202の断面又は押出プロファイルを示す。栽培ライン202はアルミ押出品でよい。栽培ライン202の押出プロファイルの底部分は、上向き溝1002を含む。図9に示すように、栽培タワー50のフック52は、図5A及び8に示したように本体53と溝1002に係合する対応部材58とを含む。これらのフックによって、栽培タワー50は溝1002内に引っ掛かり、後述するように栽培ライン202に沿って摺動可能になる。反対に、栽培タワー50は栽培ライン202から手で取り外し、生産工程から取り除くことができる。栽培タワー50のいずれかの作物が病害を受けた場合に他のタワーに感染しないようにするため、この機能が必要になる場合がある。一つの可能な実装例では、溝1002の幅(例えば、13 mm)は、2つの異なる要素を最適化したものである。第一に、溝が狭くなればなるほど、結合率は好ましくなり、栽培タワーフック52が結合する可能性が低くなる。反対に、溝の幅が広くなればなるほど、より大きい接触面を備えることによって栽培タワーフックの摩耗速度は遅くなる。同様に、例えば10 mmの溝の深さが、タワーフックの空間節約と偶発的な落下との間で最適なものでありうる。

フック52は、射出成形されたプラスチック部品でよい。一実装例では、このプラスチックは、ポリ塩化ビニル(PVC)、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、又はアセチルホモポリマー(例えば、デュポン社が販売するデルリン(登録商標))でよい。フック52は、栽培タワー50の上部に溶剤で接着し且つ/又はリベットや他の機械的ファスナを用いて取り付ければよい。溝係合部材58は、栽培ライン202の長方形溝1002に載っており、フック52と別に又は一体的に形成できる。別個である場合は、この部品は、超高分子量ポリエチレン又はアセタールなどのフックの残り部分よりも摩擦が少なく耐摩耗性に優れた、異なる材料から形成できる。組み付けコストを低く抑えるため、この別個の部品はフック52の本体に嵌り込むようにすればよい。代替的には、この別個の部品はフック52の本体にオーバーモールド成形してもよい。

図6及び10に示したように、栽培ライン202の押出プロファイルの上部は、下向きのT字型スロット1004を含んでいる。リニアガイドキャリッジ610(後述する)は、T字型スロット1004内に載っている。T字型スロット1004の中央部分には凹部を形成して、キャリッジ610から突出するネジ又はオーバーモールドインサートからの間隔を確保することができる。各栽培ライン202は、別々に製造された複数の区分から組み付けることができる。一実装例では、栽培ライン202の各区分は、現時点では6メートル長で成形されている。区分を長くすれば接合点が減るが、熱膨張問題の影響を受けやすくなり、発送コストが大幅に増大する可能性もある。図に示されていない付加的な特徴としては、栽培ライン202を屋根構造体に取り付けるための、又は灌漑管を取り付けるための間隔を開けた取り付け穴が含まれる。T字型スロット1004の途切れ部も搬送本体に機械加工で形成できる。これら途切れ部によって、リニアガイドキャリッジ610を栽培ライン202の端部までわざわざ摺動することなく取り出すことができるようになる。

栽培ライン202の2つの区分間の接合箇所では、1つのブロック612を両方の搬送本体のT字型スロット1004に配置できる。このブロックはこれら2つの区分を位置合わせして、栽培タワー50がこれらの間を滑らかに摺動できるようにする役目を果たす。栽培ライン202の区分を位置合わせするための代替的方法は、その区分の押出プロファイルのだぼ穴に嵌入するだぼピンを使用するものを含む。ブロック612は、止めネジを介して栽培ラインの区分の一つに固定でき、栽培ラインの区分は、熱膨張の結果として互いに近づいたり分離したりできる。これらのブロックは、比較的厳しい許容差及び必要な材料の少なさに基づいて機械加工すればよい。青銅は、その強度、耐腐食性、及び耐摩耗性によってそうしたブロックの材料として使用できる。

一実装例では、垂直タワー搬送システム200は、往復運動カム構造を用いて栽培タワー50を栽培ライン202に沿って移動させる。図5A、6、及び7は、栽培タワー50を栽培ライン202に沿って移動するために使用できる可能な往復運動カム機構を示す。カム602は、栽培タワー50を栽培ライン202に沿って物理的に押す。カム602はカムチャンネル604(後述する)に取り付けられ、1つの軸の周りを回転する。前進ストロークでは、回転はカムチャンネル604の上部によって制限されており、カム602により栽培タワー50が前方に押される。逆すなわち後退ストロークでは、回転には制約が掛けられないので、カムが栽培タワー50の上部を超えてラチェット移動(ratchet)できる。このように、このカム機構は比較的短い距離で前後のストローク動作するが、栽培タワー50は、栽培ライン202の全長に沿って常に前方に進む。一実装例では、制御システムが、各栽培ライン202の往復運動カム機構の動作を制御して、これら栽培ライン202をプログラミングされた栽培シーケンスによって移動させる。移動サイクルと移動サイクルとの間に、アクチュエータ及び往復運動カム機構はアイドリングを維持する。

カム602の回転軸及びカムチャンネル604への取り付け手段は、バインディングポスト606及び六角頭ボルト608からなるが、代替的には、移動止めクレビスピンを使用してもよい。六角頭ボルト608は、軸方向に工具アクセスできないカムチャンネル604の内側に配置されている。六角頭なので、これにはレンチで半径方向にアクセスして取り外すことができる。本格的規模の農場に必要とされるカムの数が多くなることを考慮すると、射出成形などの大量生産工程が適切である。その剛性及び比較的低価格であることから、ABSが適切な材料である。栽培ライン202のすべてのカム602は、カムチャンネル604に取り付けられる。アクチュエータに接続されると、この共通梁構造体は、すべてのカム602が一斉に前後のストローク動作することを可能にする。一実装例では、カムチャンネル604の構造は、シートメタルから作製された下向きのU字チャンネルである。カムチャンネル604の下向き壁に設けられた穴は、バインディングポスト606を使ったカム602の取り付け点となる。

一実装例では、カムチャンネル604の穴は12.7mmの間隔で離間されている。従って、カム602は、12.7mmの整数倍で互いに対して離間でき、1つのカムチャンネルのみを用いて可変栽培タワー間隔が可能になる。カムチャンネル604の基部は、前進ストローク時にカムの回転を制限する。軸方向の並進運動を除いて、カムチャンネル604のすべての自由度は、カムチャンネル604の基部に取り付けられると共に栽培ライン202のT字型スロット1004内に載っているリニアガイドキャリッジ610(後述する)により抑制される。カムチャンネル604は、6メートル長の区分など別個に形成された区分から組み付ければよい。区分を長くすれば接合点の数が減るが、発送コストをかなり増大させる可能性もある。このカムチャンネルはアクチュエータに接続された端部のみで固定されているので、熱膨張は一般に問題とはならない。プロファイルが単純であること、壁厚が薄いこと、さらに大きな長さが必要であることを考慮すれば、シートメタル圧延がこのカムチャンネルの製造工程には適している。この用途には亜鉛めっき鋼板が適した材料である。

リニアガイドキャリッジ610が、カムチャンネル604の基部にボルト留めされ、栽培ライン202のT字型スロット1004内に載っている。幾つかの実装例では、1つのキャリッジ610が、カムチャンネルの6メートル区分ごとに使用される。キャリッジ610は、低摩擦性及び耐摩耗性のため射出成形のプラスチック部品とすればよい。ボルトをオーバーモールド成形のネジ式インサートにねじ込むことで、ボルトがキャリッジ610をカムチャンネル604に取り付ける。選択したカム602を除去する場合は、これらボルトにはアクセスできるので、カムチャンネル604の区分はキャリッジから取り外し、取り除くことができる。

カムチャンネル604の区分は、各接合部において、対になったコネクタ616で接合されるが、代替的には移動止めクレビスピンを使用してもよい。コネクタ616は、20mm間隔で設けられた(カムチャンネル604と同じ穴間隔)機械加工穴を備えた亜鉛めっき鋼バーでよい。段付きボルト618が外側コネクタの穴に通され、カムチャンネル604を介して内側コネクタの穴にねじ込まれる。段付きボルトがカム602と同じ箇所に位置すれば、これらをバインディングポストの代わりに使用できる。段付きボルト618にはアクセスできるので、コネクタとカムチャンネルの区分を取り除くことができる。

一実装例では、カムチャンネル604は、前進ストローク及び後退ストロークで動作するリニアアクチュエータに取り付けられる。適切なリニアアクチュエータは、バージニア州レッドフォード所在のトンプソン社(Thomson, Inc.)により販売されているT13-B4010MS053-62アクチュエータでよいが、本明細書で記載した往復運動カム機構は、様々な異なるアクチュエータと組み合わせて動作可能である。このリニアアクチュエータは、栽培ライン202の搭載端でなく、荷降ろし端でカムチャンネル604に取り付ければよい。こうした構成では、アクチュエータの前進ストローク時に(カムチャンネル604を引っ張る)タワー50によって荷重がかけられている際は、カムチャンネル604には張力が掛かり、これが座屈の危険を軽減する。図7Aは、本発明の一実装例による往復運動カム機構の動作を示す。段階Aでは、このリニアアクチュエータは全後退ストロークを完了したところであり、図7Aに示すように、1つ以上のカム602が栽培タワー50のフック52を超えてラチェット移動できる。図7Aの段階Bでは、前進ストロークの終端におけるカムチャンネル604及びカム602の位置が示されている。前進ストローク時に、図示したように、カム602は対応する栽培タワー50に係合し、それらを栽培ライン202に沿って前進方向に移動させる。図7Aの段階Cでは、どのように新たな栽培タワー50(タワー0)が栽培ライン202に挿入され、どのように最後のタワー（タワー9）が除去されうるかを示している。段階Dでは、段階Aと同様に、カム602が、後退ストローク時に栽培タワー50を超えてラチェット移動することを示している。この往復運動カム機構の基本原理は、アクチュエータの比較的短いストロークからの往復運動が、タワー50を栽培ライン202の全長に沿って一方向に移送するというものである。より具体的には、前進ストローク時に、栽培ライン202上のすべての栽培タワー50は一つの位置分を前方に押し出される。後退ストロークでは、カム602は、一つの位置分を後方にラチェット移動し、栽培タワーは同じ位置に留まる。図示したように、栽培ライン202が満載になると、リニアアクチュエータの各前進ストロークの後に、新たな栽培タワーが積載され、最後のタワーが取り出される。幾つかの実装例では、フック52の上部分(カムが押す部分)は、栽培タワー50の幅よりもわずかに狭い。結果として、栽培タワー50が互いに隣接した位置で離間されている時も、カム602はフック32に係合できる。図7Aは、教示目的で9つの栽培タワーを示している。栽培ライン202は非常に長く(例えば40メートル)なるよう構成することができるので、これより遥かに多いタワー50を栽培ライン202に配置できる(例えば400-450個)。他の実装例も可能である。例えば、最小タワー間隔は、栽培タワー50の側方距離の二倍と同じ又はわずかに大きく設定して、2つ以上の栽培タワー50が1回のサイクルで栽培ライン202に積載可能としてもよい。

さらに、図7Aに示したように、栽培ライン202に沿った一次元植物割出し(indexing)を行うようにカムチャンネル604に沿ったカム602の間隔を定めることができる。言い換えれば、この往復運動カム機構のカム602は、タワー50が栽培ライン202に沿って移動するにつれ、タワー間の間隔が増大するように構成できる。例えば、カム602の間の間隔は、栽培ラインの始まりにおける最小間隔から、その栽培ライン202の終端における最大間隔まで徐々に増大させればよい。これは、植物の成長にともない植物がより多くの光を受けとり、植物間の間隔を確保するために有用であり、さらに、可変間隔又は割出しを介して、栽培チャンバ20及び照明などの関連した構成要素をより効率的に使用するためにも有用である。一実装例では、リニアアクチュエータの前進及び後退ストロークの距離は、最大タワー間隔に等しい（又はそれよりわずかに大きい）。リニアアクチュエータの後退ストローク時には、栽培ライン202の始点のカム602は、ラチェット移動し栽培タワー50を行き過ぎることができる。前進ストロークでは、そうしたカム602はタワーに係合する前にそれぞれの距離を移動でき、栽培ライン202に沿ってさらに先に位置したカムは、タワーに係合する前により短い距離を移動したり、実質的にすぐさま係合したりできる。そうした構成では、最大タワー間隔は最小タワー間隔の二倍を超えることはできない。そうでなければ、カム602は、2つ以上の栽培タワー50を超えてラチェット移動し、係合することもある。より大きい最大タワー間隔を所望であれば、図7Bに示したように伸縮継手を用いることができる。伸縮継手によって、カムチャンネル604の先頭区分が、カムチャンネル604の終端に先だって移動を開始できるので、長いストロークが可能になる。具体的には、図7Bに示したように、伸縮継手710は、カムチャンネル604の区分604a及び604bに取り付けることができる。初期位置(702)では、伸縮継手710は収縮されている。前進ストロークの開始時には(704)、カムチャンネル604の先頭区分604aは(アクチュエータがカムチャンネル604を引っ張る際に)前進する一方で、後続区分606bは静止状態を維持する。ボルトが伸縮継手710で底を突いて開位置(706)になれば、カムチャンネル604の後続区分604も前方に移動し始める。後退ストローク時には(708)、伸縮継手710はその初期位置まで収縮する。後退ストローク時には、先頭区分604aは後方に移動する一方、伸縮継手が初期の収縮位置に至るまで、後続区分606bは静止状態を維持する。

垂直栽培タワー50を移動させるための他の実装例を利用してもよい。例えば、親ネジ機構を使用してもよい。そうした一実装例では、親ネジのネジが栽培ライン202に配置されたフック52に係合し、シャフトが回転する際に栽培タワー50を移動させる。ネジのピッチは一次元植物索引付けを達成するために様々でよい。別の実装例では、ベルトコンベアがベルトに沿ってパドルを含み、栽培ライン202に沿って栽培タワー50を移動するために使用できる。そうした一実装例では、一連のベルトコンベアが栽培ライン202に沿って配置されており、各ベルトコンベアは、一次元植物索引付けを実現するためにパドルの間に異なる間隔距離を含んでいる。さらに別の実施形態では、パワーアンドフリーコンベアを用いて栽培タワー50を栽培ライン202に沿って移動できる。さらには、様々な図に示された栽培ライン202は地面に対して水平だが、栽培ライン202は、タワーの進行方向に対して上向き又は下向きにわずかな角度で勾配をつけられていてもよい。さらに、上述の栽培ライン202が栽培タワーを一方向に搬送する一方で、栽培ライン202は、それぞれが異なる方向に配向された複数の区分を含むように構成してもよい。例えば、2つの区分が互いに直交していてもよい。他の実装例では、2つの区分が互いに平行に延びているが、反対方向に移動するようにしてもよい。

灌漑及び水性栄養供給
図8は、灌漑管802がどのように栽培ライン202に取り付けられ、栽培タワー50が垂直タワー搬送システム200内を並進運動する際に、タワーに植えられている作物に水性栄養液を供給することができるのかを示している。一実装例では、灌漑管802は、タワー50が各移動サイクルで栽培ライン202に沿って前進する際に、タワーの期待位置に離間開口部又は穴を備えた加圧管である。例えば、灌漑管802は、内径1.5インチと、0.125インチの直径を備えた穴とを備えたPVCパイプでよい。灌漑管802は、栽培ライン202の全長にわたる約40メートル長でもよい。管全体にわたって圧力が確実に適切となるよう、灌漑管802は、それぞれがマニホルドに接続される短い区分に分割して、圧力降下が減少するようにしてもよい。

図8に示したように、漏斗構造体902は、後に詳述するように、灌漑管802から水性栄養液を集め、この水性栄養液を栽培タワー50の1つ以上のキャビティー54a及び54bに分配する。図9及び11Aは、漏斗構造体902がフック52と一体化できることを示している。例えば、漏斗構造体902は、収集器910と、第1及び第2通路912と、第1及び第2スロット920とを含む。図9に示したように、フックの溝係合部材58は、フック構造体全体の中心線に設ければよい。漏斗構造体902は、収集器910の反対側で下方に延伸するとともに中心線の対向側にあるフランジ部分906を含むことができる。第1及び第2通路の流出口は、図示したように、フランジ部分906に実質的に隣接し且つフランジ部分906の反対側に配向されている。フランジ部分906は、栽培タワー50の中央壁56と位置合わせされフック52を中央に配置し、さらに、フック52を栽培タワー50に接着又は他の方法で取り付けるための付加的な箇所を提供する。言い換えれば、フック52が栽培タワー50に挿入されると、中央壁56がフランジ部分906の間に配置される。図示した実装例では、収集器910は、フック52の本体53から側方へ延伸する。

図11Bに示したように、漏斗構造体902は、栄養流体を収集し、その流体を通路912を介してタワーの内部キャビティー54a及び54bに等しく分配する収集器910を含む。通路912は、中央壁56付近で、且つプラグホルダ158の端部を超えて、植えられた作物の根が位置することが予想される各キャビティー54a及び54bの中央背部に水性栄養液を分配するよう構成されている。図11Cに示したように、一実装例では、漏斗構造体902は、両方の通路912への栄養流体の均等な分配を促進するスロット920を含む。栄養流体が通路912に到達するには、必ず何れかのスロット920を通って流れる必要がある。各スロット920はV字型構成を備えることができ、スロットの開口部幅は、収集器910の概ね平坦な底面922から延伸するにつれ増大する。例えば、各スロット920は、底面922において1ミリメートルの幅を備えることができる。スロット920の幅は、25ミリメートルの高さを経て5ミリメートルまで増大する。スロット920の構成によって、灌漑管802によって十分な流量で供給される栄養流体は、個別の通路912に直接流入するのでなく収集器910内に蓄積され、スロット920内を流動して栄養流体の両方の通路912への均一な分配を促進する。

動作時には、灌漑管802は、水性栄養液を、この水分を栽培タワー50のそれぞれのキャビティー54a及び54bに均等に分配する漏斗構造体902に供給する。漏斗構造体902から供給される水性栄養液は、少しずつ流れる際にそれぞれのプラグコンテナ158に収容された作物に注がれる。一実装例では、各栽培ライン202の下方に配置された排水溝が、栽培タワー50からの余分な水を収集して再利用する。

他の実装例も可能である。例えば、この漏斗構造体は、水性栄養液を栽培タワー50の対応するキャビティー54a、54bに分配するよう別々に作用する2つの別々の収集器を備えるよう構成してよい。こうした構成では、灌漑供給管は、各収集器に対して1つの穴又は開口部を備えるよう構成できる。幾つかの実装例では、放出構造体又はノズルを各穴又は開口部に取り付けることができる。他の実装例では、タワーは、単一のキャビティーのみを含んでいてもよく、プラグコンテナをタワーの単一面101のみに含むようにしてもよい。こうした構成でも、水性栄養液をタワーキャビティーの所望部分に誘導する漏斗構造体を使用する必要はあるが、均等な分配を促進する別個の収集器又は他の構造体を使用する必要はない。

本開示は、本明細書に記載の幾つかの実施形態又は特徴を本明細書に記載の他の実施形態又は特徴と組み合わせてよいことは明示していないかもしれないが、本開示は、通常の技能を備えた当業者により実施可能なそうした組合せを記載しているものとして読むべきである。本明細書に特段の記載がなければ、「含む」という用語は「限定することなく含む」を意味し、「又は」という用語は、「及び/又は」と同様に非排他的な「又は」を意味するものとする。

当業者であれば、幾つかの実施形態では、本明細書で記載した動作の幾つかは人間による実施又は自動化及び手動手段の組合せを介して実行できることを理解するはずである。動作が完全に自動化されていない場合は、本開示の実施形態の適切な構成要素は、例えば、それ自身の動作機能を介して結果を発生するのでなく、動作の人間による実行の結果を受け取ることができる。

本明細書で引用された全ての引用文献、論文、刊行物、特許公開公報、及び特許出願は、本明細書で明示的に記載された開示の実施形態と矛盾しない範囲で、すべての目的でその全体を引用して本明細書に援用する。しかし、本明細書で引用された任意の引用文献、論文、刊行物、特許公開公報、及び特許出願を言及したとしても、それらが有効な従来技術を構成し、又は世界の任意の国におけるありふれた一般的な見知の一部を構成し、又はこれらが不可欠の事項を開示していることを認めたたり、何らかの意味で示唆したりするものでなく且つそのように解釈されるべきではない。

本発明の幾つかの特徴及び側面を、限定する意味でなく例示目的で特定の実施形態を参照しつつ例示し且つ詳細に説明した。通常の技能を備えた当業者であれば、代替的な実装例及び開示された実施形態への様々な変更は、本開示の範囲内であり予期されていることは理解するはずである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されると考慮されるべきであることが意図されている。

Claims (14)

1. 環境制御農業用の作物生産システムであって：
   栽培ラインと；
   複数の栽培タワーであって、それぞれが前記栽培ラインに垂直に取り付けられると共に前記栽培ラインに沿って移動可能な、複数の栽培タワーと；
   前記複数のタワーを前記栽培ラインに沿った選択位置に移動させるよう動作する搬送機構と；
   前記栽培ラインに沿った前記選択位置の1つ以上で、前記複数のタワーそれぞれの上端に流体を供給するよう動作する灌漑システムとを含み；
   前記複数のタワーそれぞれが、タワー本体及び当該タワー本体の上部に配置された漏斗を含み、当該漏斗は、前記タワー本体内部における所望の領域上に流体の流れを誘導するよう構成されている、作物生産システム。
2. 前記灌漑システムは、前記選択位置の上方に隣接して配置された開口部を含む1つ以上の灌漑ラインを含む、請求項1に記載の作物生産システム。
3. 前記複数の栽培タワーそれぞれは、前記タワー本体に沿って配置された複数のプラグコンテナを含む、請求項1に記載の作物生産システム。
4. 前記複数の栽培タワーそれぞれは、前記栽培タワーの第1面に沿って配置された複数の第1プラグコンテナを含む、請求項3に記載の作物生産システム。
5. 前記複数の栽培タワーそれぞれは、前記栽培タワーの第2面に沿って配置された複数の第2プラグコンテナを含み、前記第2面は前記第1面の反対側にあり、前記複数の栽培タワーそれぞれは、前記複数の第1プラグコンテナを収容する第1キャビティー及び前記複数の第2プラグコンテナを収容する第２キャビティーを形成する中央壁を含む、請求項4に記載の作物生産システム。
6. 各漏斗が、
   収集器と；
   前記収集器と流体連通した第1及び第2通路と；
   前記収集器に配置された第1スロットであって、前記収集器と前記第1通路との間の流体連通路にある第1スロットと；
   前記収集器トラフに配置された第2スロットであって、前記収集器トラフと前記第2通路との間の流体連通路にある第2スロットとを含み；
   前記第1及び第2スロットは、流体が前記収集器トラフに蓄積され、前記流体が前記第1及び第2通路に実質的に均一に分配されるよう配置されており、前記第1通路は前記第1キャビティーと流体連通し、前記第2通路は前記第2キャビティーと流体連通している、請求項5に記載の作物生産システム。
7. 前記栽培タワーが前記栽培ラインに沿って押されるにつれて、そうした栽培タワーの間隔が大きくなるように、前記選択位置の間隔が第1方向で増大する、請求項1に記載の作物生産システム。
8. 前記搬送機構が往復運動カム機構を含む、請求項1に記載の作物生産システム。
9. 前記複数の栽培タワーそれぞれは、前記栽培タワーの上部に取り付けられたフックを含み、当該フックが前記栽培ラインに係合するよう構成されている、請求項1に記載の作物生産システム。
10. 前記栽培ラインそれぞれは、栽培タワーの前記フックを摺動可能に取り付ける溝領域を含む、請求項9に記載の作物生産システム。
11. 垂直栽培タワーで使用される漏斗であって、
    収集器と；
    前記収集器と流体連通した第1及び第2通路と；
    前記収集器に配置された第1スロットであって、前記収集器と前記第1通路との間の流体連通路にある第1スロットと；
    前記収集器に配置された第2スロットであって、前記収集器トラフと前記第2通路との間の流体連通路にある第2スロットとを含み；
    前記第1及び第2スロットは、流体が前記収集器に蓄積され、前記流体が前記第1及び第2通路に実質的に均一に分配されるよう配置されている、漏斗。
12. 少なくとも前記収集器に一体的に取り付けられたフックをさらに含む、請求項11に記載の漏斗。
13. 前記第1及び第2スロットは、前記収集器の底面から上方に延伸するV字型スロットである、請求項11に記載の漏斗。
14. 前記収集器から反対側に延伸する第1及び第2フランジ部材をさらに含み、前記第1及び第2通路の流出口は、前記第1及び第2フランジ部材に隣接し且つ前記第1及び第2フランジ部材の反対側に配向されている、請求項11に記載の漏斗。

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