JP2024109581A - 気耕栽培装置 - Google Patents

Abstract

【課題】既知のシステムの問題を軽減する、または未然に防ぐ、改良された気耕栽培システムを提供する。【解決手段】底部３２２と少なくとも２つの側壁３０４とを有する栽培ベッドトレイ３０２と、養液を噴霧する噴霧器とを備え、栽培ベッドトレイは栽培ベッドトレイの底部から離れた位置で植物支持体を保持することができ、噴霧器は栽培ベッドトレイの底部に位置し、超音波トランスデューサと超音波トランスデューサを保持するための保持部とを備える、気耕栽培装置を開示する。また、養液を栽培ベッドトレイの底部に流して少なくとも作物の根に接触させるか、または養液を栽培ベッドトレイの底部に提供して養液を噴霧することにより噴霧された養液が少なくとも作物の根に接触するように、気耕栽培装置を使用して作物を生産する方法も開示されている。【選択図】図４

Description

本発明は、気耕栽培装置、およびそのような気耕栽培装置を使用して作物および他の植物を栽培する方法に関する。

水耕栽培や気耕栽培などのハイドロカルチャーは、土壌なしで作物を栽培する方法である。特に気耕栽培は、作物が高密度で急速に成長するという利点を提供する。

気耕栽培システムは、植物支持体の下部に吊り下げられた根に、栄養分に富む噴霧水溶液を噴霧することにより、作物に水と養分を供給する。植物は植物支持体によって支えられ、葉と樹冠は植物支持体の上部に伸びる。気耕栽培システムでは、空気が作物植物の林冠と根の両方に接触できるため、作物は酸素、二酸化炭素、水、養分の豊富な供給によって成長する。根の通気の改善は、水耕栽培に対する気耕栽培の利点の１つである。

噴霧養液は、噴射口を介して養液を送達する低圧ポンプによる低圧システム中で生成されてもよい。低圧システムは、一般に、家庭用または実証用の気耕栽培ユニットにのみ適していると考えられており、大型の商用気耕栽培システムには適していないと考えられている。

日本国特許公告平０３－１５２３号公報（ＪＰ Ｈ０３ １５２３）、中国実用新案第２０５７２７４５９号明細書（ＣＮ－Ａ－２０５７２７４５９）および中国実用新案２０５５８４９９３号明細書（ＣＮ－Ａ－２０５５８４９９３）にはそれぞれ、家庭用規模の気耕栽培システムが開示されている。

韓国公開特許第２０１３－００７４１７２号公報（ＫＲ－Ａ－２０１３００７４１７２）には、液体に浸された超音波処理アトマイザーおよびファンによって植物の根への送達が促進されるエアロゾルを有する小規模マルチレベルシステムが開示されている。

米国特許第５９３７５７５号明細書（ＵＳ－Ａ－５，９３７，５７５）には、超音波で生成された養分霧（すなわち、エアロゾルのプルームまたは集合体）を安定化するための装置および方法が開示されている。吸入空気の湿度と温度に対する過敏性を排除するために、霧は成長チャンバから霧発生リザーバへ再循環される。チャンバおよびリザーバは、霧循環回路を形成する霧供給導管および霧戻り導管によって接続される。再循環により、霧密度の吸気湿度への依存がなくなり、用いられる養分の量が安定する。

中国特許出願公開第１０６５０８６５５号明細書（ＣＮ－Ａ－ １０６５０８６５５）および中国特許出願公開第１０６５７７２４５号明細書（ＣＮ－Ａ－ １０６５７７２４５）には、気耕栽培バケットの底部の上部の空間に吊り下げられた装置のフィールドプラントプレートの下部に超音波噴霧器が配置されている、アマドコロの気耕栽培方法が開示されている。

米国特許第５１３６８０４号明細書（ＵＳ－Ａ－５， １３６，８０４）には、生成された霧を栽培区画に向ける導管手段と、ある量の水を受け入れるためのコンテナを含む霧発生器によって生成される霧と、コンテナ内に配置され受け取られた際に水に浸される超音波トランスデューサとを有する装置が開示されている。

韓国公開特許第２０１４－００８８７６０号公報（ＫＲ－Ａ－２０１４ ００８８７６０）には、噴霧養液が霧発生システムから霧導管によって均一に供給され得、必要な超音波振動モジュールがより少ない超音波噴霧耕システムが開示されている。

他の開示はまた、超音波霧または超音波ミストの発生器、およびミストを栽培区画に供給するためのミストまたは霧供給導管を利用するものである。例えば、中国特許出願公開第１０１８０３５６１号明細書（ＣＮ－Ａ－１０１８０３５６１）、中国特許出願公開第１０５５９４５７８号明細書（ＣＮ－Ａ－１０５５９４５７８）、中国実用新案第２０１１３９３４５７号明細書（ＣＮ－Ａ－２０１１３９３４５７）、中国実用新案第２０４１６８８５９号明細書（ＣＮ－Ａ－２０４１６８８５９）、中国特許出願公開第１０２８４５２９３号明細書（ＣＮ－Ａ－１０２８４５２９３）、中国実用新案第２０２１９７６３９号明細書（ＣＮ－Ａ－２０２１９７６３９）および中国特許出願公開第１０２８７０６５９号明細書（ＣＮ－Ａ－１０２８７０６５９）である。

中国実用新案第２０１５５７４３２号明細書（ＣＮ－Ａ－２０１５５７４３２）には、超音波アトマイザーのスプレーノズルが植栽領域の上部の温室の頂部に配置された、気耕栽培温室が開示されている。

日本国特公平０３－１５２３号公報 中国実用新案第２０５７２７４５９号明細書 中国実用新案第２０５５８４９９３号明細書 韓国公開特許第２０１３－００７４１７２号公報 米国特許第５９３７５７５号明細書 中国特許出願公開第１０６５０８６５５号明細書 中国特許出願公開第１０６５７７２４５号明細書 米国特許第５１３６８０４号明細書 韓国公開特許第２０１４－００８８７６０号公報 中国特許出願公開第１０１８０３５６１号明細書 中国特許出願公開第１０５５９４５７８号明細書 中国実用新案第２０１１３９３４５７号明細書 中国実用新案第２０４１６８８５９号明細書 中国特許出願公開第１０２８４５２９３号明細書 中国実用新案第２０２１９７６３９号明細書 中国特許出願公開第１０２８７０６５９号明細書 中国実用新案第２０１５５７４３２号明細書

商用の高密度、高圧気耕（ＨＰＡ）栽培では、高圧ポンプを使用して、スプレーノズルを通って養液が送達される。高圧気耕設備のスプレーノズルは、一般に幅広いスプレーパターンを提供し、加圧供給ラインに沿って一定の間隔で配置される。養液は、ＨＰＡシステムの動作圧に応じて、さまざまなサイズ分布の液滴に霧化され得る。ノズルの品質の変動と供給ラインの圧力降下のために、設備レベルでの液滴サイズの制御は非常に困難である。植物の根に供給される水と養分の量の制御は、噴霧持続時間によって制御される。

ＨＰＡシステムによって生成された高速液滴は、微細な根の構造を劣化させ得、生成された細胞破片はＨＰＡノズルを詰まらせ得る。結果として、根はノズルから十分に離間していなければならない。根による水滴の遮断（特に密な根床において）は、床周辺の根に水を与えられないままにし得るため、ＨＰＡシステムではノズルスプレーアークが重なりあうように設計されている。しかし、これによりコストが増加し、システムの複雑さが増大し、加圧供給ラインの故障箇所が増加する。比較的広いスプレー角度が必要となることはまた、ＨＰＡシステムにおける栽培ベッドが比較的高くなければならず、達成可能な床密度が低下することをも意味する。

ＨＰＡノズルは特に詰まりがちであり、これはＨＰＡシステムが複雑な水処理と濾過とを要するか、微粒子を含まない真水の使用を要することを意味する。これにより、ＨＰＡシステムのコストと複雑性が増す。さらに、各ＨＰＡノズルは、供給ライン全体（多数のノズルが接続されていてもよい）で、オンまたはオフに切り替えられるように配置される傾向がある。したがって、一般に、栽培領域の特定の部分を制御することはできない。

したがって、既知のシステムの問題を軽減する、または未然に防ぐ、改良された気耕栽培システムが必要とされている。

本発明の目的は、この必要に取り組むことである。

したがって本発明は、第１の態様において、底部と少なくとも２つの側壁とを有するトレイ（すなわち、栽培ベッドトレイ）であって、植物支持体を（根空間を形成するための）栽培ベッドトレイの底部から離間した位置に保持するように適合された栽培ベッドトレイと、養液を噴霧するための噴霧器であって、栽培ベッドトレイの底部に位置し、超音波トランスデューサおよび超音波トランスデューサを所定の位置に固定するための固定部を備える噴霧器と、を備える気耕栽培装置を提供する。

超音波トランスデューサを有する噴霧器の使用により、液滴サイズと液滴速度の制御が可能になり、栽培ベッドトレイ内の作物の生育期間、種、健康状態に対して、液滴サイズ、エアロゾル（ミスト）密度、またはエアロゾル（ミスト噴霧）の適用期間を、適合および／または制御できるため、有利となる。超音波噴霧器を使用すると、栽培ベッドが浅くなり、気耕栽培ファーム内の垂直空間の使用効率が増加し、結果として単位面積あたりの収量が増加する。

超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイの底部に配置されてもよい。生成されたミストは、溶液の表面と植物支持体の間の空間（つまり、使用時に作物の根が吊り下げられている根空間）に、クリープ流（横方向および縦方向）として分散し、栽培ベッドトレイの底部がＨＰＡシステムよりも植物支持体に近くなるようにする。ミストの生成は高圧システムによるものではないため、根の損傷とノズルの目詰まりが大幅に軽減または回避され、設備のダウンタイムが削減される。

１つの好ましい実施形態では、１つまたは複数の超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイの底部の下部に取り付けられてもよい（すなわち、アンダーマウントされてもよい）。アンダーマウントされた超音波トランスデューサは、超音波トランスデューサが栽培ベッドトレイの底部と接触する（そして好ましくはそれに対して加圧される）ように、ホルダに保持されてもよい。一般に、この配置は、使用中に超音波トランスデューサと養液との間に、単一層（通常、比較的薄い単一層）、例えばプラスチックまたは金属材料であるもの、が存在することを提供する。好ましくは、単一層（例えばプラスチックまたは金属材料）は、優れた音響伝達特性を提供する。

アンダーマウントによって、特に複数の超音波トランスデューサを備えた商用設備において、栽培ベッド内のすべての超音波トランスデューサ／コンポーネントをシャットダウンすることなく、超音波トランスデューサや他のコンポーネントへのアクセスを改善し障害を削減できるため、非常に有利である。さらに、超音波トランスデューサのアンダーマウントされた固定部が放熱を補助する。これは、根空間に放射する熱を減らし得、植物の根の成長に悪影響を及ぼし得る。また、アンダーマウントは、根の破片と超音波トランスデューサとの相互作用を大幅に削減または排除し、超音波トランスデューサの寿命を延ばし、結果として洗浄の必要性を大幅に減らし、操作効率を改善し、コストを削減する。

超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイに常時取り付けられ得るホルダに取り付けられてもよい。ホルダは、拭き取り清浄表面／界面を有することが好ましい。超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイからホルダを取り外すことなく、ホルダから取り外し可能である（例えば、所定の位置にねじ込む／加圧し得る）ことが好ましい。

装置はまた、使用時にトランスデューサを植物の根から遮蔽し、さもなくばトランスデューサを保護する、１つ以上の噴霧器シールドを備えてもよい。１つ以上の噴霧器シールドは、栽培ベッドトレイの底部に形成されてもよい。

ホルダおよび／または固定部は、トランスデューサと養液との間の界面が使用時にプラスチック材料（すなわち、養液の界面：プラスチック）または金属材料（すなわち、養液の界面：金属材料）で形成されるようなものであってよい。固定部は、機械的固定部および／または接着固定部、例えば、ねじ付き開口部、接着剤、ねじ付きスパイク、ボルトまたはプラスチック固定部のうちの１つ以上によって提供されてもよい。

使用中、作物の根は根空間に吊り下げられることが好ましい。養液は、空気中で養液のエアロゾルとして作物の根に接触し得る。

本発明の気耕栽培装置の動作中に使用され得る任意の排水／流水サイクルにおける異なる時間において、作物の根の一部は養液に浸され得るが、一般的に根は常に浸されているわけではない。根の一部が浸されていても、残りの根は装置によって生成されたエアロゾルと接触する。周期的に養液に浸され得る根の量は、一般的に作物の種類、および作物の栽培に費やした時間（これは植物のサイズに関係する）に依存する。しかしながら、気耕栽培操作の間、一般的には、根空間のほんの小さな部分（根空間の体積による）が、養液によって占められる。本発明の気耕栽培装置の動作中、植物はその成長段階の最初の部分で気耕成長し、気耕栽培条件は成長速度を速める。成長の後期には、作物の主根が主要な水域（すなわち養液）に入り得、これにより、水ストレスに対する作物の回復力が向上する一方で、残りの根は気耕栽培条件の恩恵を受けるということを含む、追加の利点をもたらし得る。

通常、マイクログリーン（通常、収穫前に５～１０日間栽培）は、周期的に養液に入る根の体積がわずか（１０体積％未満、多くの場合５体積％未満）である。葉菜（例えば、豆苗やレタスは通常、収穫前に４週間栽培される）は、周期的にその根体積のより大きな部分、例えば、５０体積％未満、通常４０体積％未満の養液を含み得る。より長く栽培される葉菜作物、例えばバジル（３か月栽培され、周期的に刈り取られる）、および果実作物および根菜作物は、根体積のかなりの部分（例：７０体積％未満）が周期的に養液に浸され得る。したがって、使用時には、作物の根の体積の７０％以下が液体（例えば養液）に周期的に浸され、一般的に、作物の根体積の５０％以下が液体（例えば養液）に浸され得、より一般的には、作物の根体積の２０％以下が液体（例えば養液）に浸され得、最も一般的には、作物の根体積の１０％以下（例：５％以下が液体（例えば養液）に浸され得る。

この装置では、超音波トランスデューサの周波数を調整すると、液滴のサイズが変化する。電圧を調整すると、液滴の生成速度が変化する。水域に作用する個々の超音波トランスデューサは、予測可能な液滴サイズ分布を生成する。

使用中、養液の液滴はミスト／エアロゾルとして水面から放出され、ベッドのクリープ流において全方向に分散する。装置は、液滴サイズの制御を提供し得、通常、直径１～１００μｍの範囲内の液滴を生成する。

固定部は、接着剤を含んでもよく、必要に応じてエポキシ接着剤および／または別の適切な接着剤を含んでもよい。

好ましくは、固定部は、音響透過性である。

一実施形態では、超音波トランスデューサは、接着剤を使用して栽培ベッドトレイの底部に接着されてもよく、したがって、噴霧器は、トランスデューサおよび接着剤を含む固定部を備える。この実施形態では、トランスデューサが接着される栽培ベッドトレイの底部の位置が、少なくとも部分的に音響伝達性であることが好ましい。

固定部は、ホルダを備え得、必要に応じて栽培ベッドトレイから着脱可能なホルダを備え得る。

超音波トランスデューサはまた、ホルダから着脱可能であることが好ましい。

ホルダは通常、音響的に設計される。ホルダは、音響透過材料（例えば、音響レンズ）で形成された部分を備え得る。

液滴サイズまたはミスト／エアロゾル流の増加をより制御するために、装置は少なくとも２つの超音波トランスデューサを備え得る。この場合、一つの超音波トランスデューサまたはそれぞれの超音波トランスデューサは、所定のまたは異なる共振周波数を有し得る。所定の共振周波数は、好ましくはキロヘルツからメガヘルツの範囲であり、発生したエアロゾル中の液滴サイズがより高い周波数でより小さくなるため、２００ｋＨｚから１００ＭＨｚであり得る。

各栽培ベッドトレイは、複数の超音波トランスデューサを備えることが好ましい。これは、使用中の根へのエアロゾルの供給さえも改善するという点で有利である。各栽培ベッドトレイは、２～４８個の超音波トランスデューサ、好ましくは４～３６個の超音波トランスデューサ、より好ましくは６～２４個の超音波トランスデューサを備え得る。

複数の超音波トランスデューサが存在する場合、各超音波トランスデューサは、独立して制御可能であり得ることが好ましい。これは、装置の各部分にわたって生育状況のより優れた制御を可能にするため、商用設備において有利である。

装置は、空気を循環させ、根へのエアロゾルの均一な供給をさらに改善するための１つ以上のファンをさらに備え得る。

例示的な超音波トランスデューサは、約６００ｋＨｚ、１．７ＭＨｚ、２．４ＭＨｚ、および／または３ＭＨｚの共振周波数を有し得る。

通常、１つまたは各超音波トランスデューサは、圧電トランスデューサであり得る。

好都合には、装置は、液体ポートをさらに備え得る。液体ポートは、養液を栽培ベッドトレイの底部に流入させるための液体入口として機能し得、さらに液体が栽培ベッドトレイの底部から流出することを可能にする液体出口として機能し得る。代わりに、液体入口と液体出口とが存在してもよい。

栽培ベッドトレイの底部は、養液を収集するための少なくとも１つのサンプを形成するように形作られ得、ここで噴霧器は、サンプ上に、またはサンプ内に配置される。これは、使用時に比較的少量の養液で噴霧器を覆い得るため、有利となり得る。

しかしながら、栽培ベッドトレイの底部は、植物物質または他の有機物質および／またはよどんだ水が望外に保持されることを減らすために、実質的に平坦であることが好ましい。養液の排出と洗浄を改善するために、栽培ベッドトレイの底部は傾きを有し得る（すなわち勾配を有し、通常は浅い勾配を有する）。

一般に、液体ポート／入口は、リザーバ接続された入口パイプに接続可能であり得、リザーバは養液を保持する。装置は通常、養液をリザーバから液体ポート／入口に圧送するためのポンプをさらに備える。したがって、装置は、１つ以上の入口パイプと、リザーバと、必要に応じて少なくとも１つのポンプをさらに備え得る。装置はまた、１つ以上のバルブ、１つ以上のフィルタおよび／または養液投与システムを備え得る。

養液は水産養殖（すなわち、巻貝、魚、ザリガニ、またはエビなどの水生動物を水槽で飼育すること）の副産物であり得る。

栽培ベッドトレイは、栽培ベッドトレイの側壁に位置する１つ以上の支持体によって栽培ベッドトレイの底部から離間した植物支持体を保持するように適合されることが好ましい。栽培ベッドトレイは、機械的固定具によって栽培ベッドトレイの底部から離間した植物支持体を保持するように適合され得、および／または１つ以上の支持体は、栽培ベッドトレイの１つ以上の側壁の形状によって形成され得る。

栽培ベッドトレイは、モジュール式であり得る。したがって、１つ以上の側壁は、着脱可能であり得る。装置は、２つ以上の栽培ベッドトレイを共に取り付けるための栽培ベッドトレイアタッチメントをさらに備え得る。１つの栽培ベッドトレイまたは共に取り付けられた複数の栽培ベッドトレイは、装置の栽培ベッドを形成し得る。

商用運用のためのモジュール式超音波駆動気耕栽培ベッドシステムは、作物生産を効率的かつ以前に達成されたものより大規模にするために気耕栽培を使用できるため、非常に有利である。使用中、装置は、栽培ベッドトレイ、植物支持体および／または栽培ベッド（すなわち、少なくとも１つの栽培ベッドトレイと少なくとも１つの植物支持体とを含む組み合わせ）が持ち上げられ得、および／または手動または自動システムのどちらかによる設備の周りを移動し得るようなものであり得る。

１つ以上のセンサを使用して、生育状況や作物を監視することが有用である。センサは、水分（例えば、相対湿度）、光、酸素、ｐＨ、温度、二酸化炭素、および／または根密度センサ（例えば、根床を通る光の透過を検出するセンサ）であり得る。したがって、装置は、栽培ベッドトレイにセンサを固定するための１つ以上のセンサ固定具をさらに備え得る。装置は、１つ以上のセンサをさらに備え得る。センサには、たとえば、重量／質量、表面張力、温度、粘度、水位、養液の密度、水分（たとえば、蒸気圧や相対湿度）、光、酸素、ｐＨ、ガス組成、音の強さ、（養液または気相の）圧力、二酸化炭素および／または根の密度を測定または検知する、１つ以上のセンサが含まれ得る。特に有用なセンサには、水位、（ガスおよび／または養液の）温度、および相対湿度が含まれる。１つ以上のセンサはセンサ固定具に固定され得る。装置はもちろん、周囲の条件および特性を測定および／または検知するために、それに関連付けられた１つ以上の同じセンサを有してもよい。

装置は、照明装置が設置されたときに照明が提供されるように、栽培ベッドトレイの上部、側面、および／または下部に配置された１つ以上の照明器具を備え得る。

装置は、植物支持体をさらに備え得る。植物支持体は、植物支持トレイおよび／または繊維状物質を備え得る（例えば、繊維状マットを含み得る）。適切であり得る他の植物支持体には、プラグおよび／またはポットが含まれる。植物支持体は一般的に着脱可能である。

植物支持トレイは、プラスチック材料でできていてもよい。植物支持トレイは、植物を支持する（および／または植物用のポットを支持する）ための支持部を備え得る。そのような支持部は、例えば、植物支持トレイの底部に（およびそれによって画定される）複数の開口を含み得る。各植物支持トレイは、植物支持トレイが保管のために積み重ね可能であるような形状である場合、有利である。

したがって、使用中、装置は、植物支持体、および噴霧器を覆う養液を備え得る。いったん作物が植えられると、装置は、植物支持体中に作物、植物支持体と栽培ベッドトレイの底部との間の空間（すなわち、通常は空気空間である根空間）に位置する作物の根を含み得る。

本発明の大きな利点は、改善された気耕栽培効率および運用効率を提供することである。特に、噴霧器を栽培ベッドトレイの底部に取り付けることは、装置の停止時間および装置の洗浄の必要性を低減するので、操作上の大きな利点となる。さらに、本発明の装置（および方法）は、節水を促進するための灌漑制御の精度を改善する。

したがって、第２の態様では、本発明は、作物生産の方法を提供し、この方法は、（ａ）第１の態様による気耕栽培装置を提供するステップと、ｂ）栽培ベッドの底部から離間した位置に植物支持体を提供するステップと、（ｃ）植物支持体に作物を提供するステップと、およびｉ）養液を少なくとも作物の根と接触するように栽培ベッドトレイの底部に流すステップおよび／またはｉｉ）栽培ベッドトレイの底部に養液を提供し、噴霧された養液が少なくとも作物の根に接触するように養液を噴霧するステップのいずれかとを含む。

養液の噴霧は、所定のおよび／または制御可能な液滴サイズ分布を提供するために養液を噴霧することを含むことが好ましい。液滴サイズ分布は、１～１００μｍ、好ましくは５～８０μｍの範囲の直径を有する液滴を含み得る。液滴サイズは、多くの方法、例えば、光学顕微鏡を使用して液滴のサイズ分布を検知する方法によって測定することができる。

一実施形態では、方法は、根床の密度を検知するために１つ以上の根密度センサを提供すること、および所定の共振周波数で養液を噴霧して、根床の密度に最適な液滴サイズ分布に対応した、予測可能な（および制御可能な）液滴サイズ分布を生成することを含み得る。

養液は水産養殖（すなわち、巻貝、魚、ザリガニ、またはエビなどの水生動物を水槽で飼育すること）の副産物であり得る。

有利なことには、本発明の装置および方法は、既知の装置および方法と比較して作物収量を改善する。

本発明の装置および方法に適し得る作物には、サラダ用作物（例えば、ベビーリーフレタス、ルッコラ、クレソン）、ハーブ（例えば、バジル、コリアンダー）、ワケギ、根菜（例えば、ニンジン、ラディッシュ、ワサビ）、果実作物（例えば、ピーマン、イチゴ、トマト）およびマイクログリーン（たとえば、ラディッシュ、エンドウマメ、ヒマワリ、リーキ）が含まれる（ただしこれらに限定されない）。

本明細書において、ミストは、気体（例えば、空気）中の液滴（例えば、水溶液）のエアロゾルを指す。

本発明の実施形態を以下の図を参照して説明する。
本発明の２つのトレイの栽培ベッドによる装置の斜視図である。 本発明の２つのトレイの栽培ベッドによる装置の側面図である。 図１Ｂの線Ａ－Ａによる断面図である。 本発明の１つのトレイの栽培ベッドによる装置の斜視図である。 本発明の１つのトレイの栽培ベッドによる装置の側面図である。 図２Ｂの線Ｂ－Ｂによる断面図である。 本発明による装置の概略図である。 本発明の別の実施形態による栽培ベッド（単一の栽培ベッドトレイ）の斜視図である。 互いに接続された２つの栽培ベッドトレイを備える栽培ベッドの部分分解斜視図である。 図４および図５に示される栽培ベッドでの使用に適した植物支持トレイの形状における植物支持体の斜視図である。 保管のために積み重ねられた図６Ａに示される１０個の植物支持トレイの斜視図である。 それぞれが１つの栽培ベッドトレイと５つの植物支持トレイを有する３つの栽培ベッドのラック状配置を備える、本発明による使用準備の整った気耕栽培装置の斜視図である。

図１は、本発明の２つのトレイの栽培ベッド２による装置を示す。栽培ベッド２は、２つの栽培ベッドトレイ４、６を有し、第１栽培ベッドトレイ４および第２栽培ベッドトレイ６は、接続部１４で底部コネクタ１６および側部コネクタ１８によって互いに接続されている。各栽培ベッドトレイは、側壁８、端壁１０、および底部２２を有する。底部２２は、養液（図示せず）を収集するためのサンプ２４と、サンプ２４内に存在する噴霧器２０のための噴霧器ポート１２とを形成する外形を有するので、噴霧器は、使用時に養液で都合よく覆われる。図１Ｃの詳細に見られるように、噴霧器２０は、噴霧器ホルダ下部３０および噴霧器ホルダ上部２８を有する噴霧器ホルダと、圧電ディスクを備える超音波トランスデューサ２９と、を備える。噴霧器ホルダ２８、２９、３０は、噴霧器ポート１２の外面上の噴霧器界面３２において、栽培ベッドトレイの底部に着脱可能に固定されている。

超音波トランスデューサ２９は、生成されるエアロゾル／ミスト中の液滴サイズがより高い周波数でより小さくなるように、キロヘルツからメガヘルツの範囲の共振周波数を有し得る。

各栽培ベッドトレイは、側壁８に支持体（図示せず）を有し、栽培ベッドトレイ２の底部２２から離間した植物支持体（図示せず）を保持し、根空間２６を形成する。

図２は、本発明による装置の第２の実施形態を示す。すなわち、側壁１０８を有し（必要に応じて別の栽培ベッドトレイへの接続を容易にするために）端壁がない単一の栽培ベッドトレイ１０２と、栽培ベッドトレイの底部１２２にわたって分散配置された噴霧器１２０を保持する６つの噴霧器ポート１１２とを備え、それぞれは噴霧器ホルダによって保持されたアンダーマウントされた超音波トランスデューサ１２９を有する。噴霧器はそれぞれ、噴霧器ホルダ下部１３０と、噴霧器ホルダ上部１２８と、圧電ディスクを備える超音波トランスデューサ１２９とを備える。噴霧器ホルダ１２８、１２９、１３０は、噴霧器ポート１１２の外面上の噴霧器界面１３２で、栽培ベッドトレイの底部に着脱可能に固定される。

超音波トランスデューサ１２９は、キロヘルツからメガヘルツの範囲（例えば、２００ｋＨｚから１００ＭＨｚ）の共振周波数を有し得、生成されるエアロゾル／ミストの液滴サイズは、一般に、周波数が高くなるほど小さくなる。

栽培ベッドトレイ１０２は、底部１２２から離間した植物支持体（図示せず）を保持するために側壁１０８に支持体（図示せず）を有し、根空間１２６を形成する。

図３は、本発明による装置の概略図である。単一栽培ベッドトレイ２０２の栽培ベッドは、栽培ベッドトレイの底部の上部に植物支持体マット２３６を保持する支持体２３７を有する側壁２１０を有し、根床空間２２６を形成する。養液２３４は、超音波トランスデューサ２３０を保持する噴霧器ホルダ２３２を浸す。噴霧器が稼働すると、根床空間２２６全体に分散するミスト養液２３４を生成する。

養液２３４は、リザーバ２４８から入口２３８を介して供給され、そして第１導管２４６、低圧ポンプ２４４および第２導管２４２を介して供給される。

過剰な養液は出口２４０を介して除去される。

図４は、側壁３０８と、端壁３１０と、栽培ベッドトレイの底部３２２上に分布し、それぞれ超音波トランスデューサ（図示せず）が噴霧器シールド３２０の下に取り付けられている複数の噴霧器シールド３２０と、を有する単一の栽培ベッドトレイ３０２を備える本発明の別の実施形態による栽培ベッドの図を示す。噴霧器シールド３２０は、トランスデューサを植物の根から遮蔽し、さもなくば使用中にそれらを保護する。栽培ベッドトレイ３０２の底部３２２は、本来的には実質的に平坦であり、さらに成長を容易にするために、栽培ベッドトレイ３０２の内側に鋭角がない。栽培ベッドトレイ３０２は、養液／廃液の入口および出口のための液体ポート３１２と制御パネル３５２とを備える。

図５は、２つの栽培ベッドトレイを備える栽培ベッド４０２を備える、本発明の実施形態による気耕栽培装置を示す。２つの栽培ベッドトレイは、それらの間の側壁４１０を取り除き、アタッチメント固定具（図示せず）を使用することにより、互いに接続可能である。複数の噴霧器シールド４２０は、それぞれが噴霧器シールド４２０の下に取り付けられた超音波トランスデューサー（図示せず）を有する栽培ベッドトレイの底部４２２にわたって分配される。噴霧器シールド４２０は、植物の根からトランスデューサを遮蔽し、さもなくば使用中の超音波トランスデューサを保護する。栽培ベッドトレイの底部４２２は、本来的には実質的に平坦であり、鋭角がなく、洗浄をさらに容易にする。栽培ベッドトレイはそれぞれ、制御パネル４５２を備える。

超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイの底部の下に取り付けられ（すなわち、アンダーマウントされ）、超音波トランスデューサが栽培ベッドトレイの底部に接触（好ましくは加圧）するようにホルダに保持され得る。一般に、この配置は、例えば、使用中に超音波トランスデューサと養液との間にプラスチックまたは金属材料の単一層（通常、比較的薄い単一層）を存在させる。例えばプラスチックまたは金属材料の単一層は、優れた音響透過特性を提供する。

超音波トランスデューサは、栽培ベッドトレイに永久的に取り付けられ得るホルダに取り付けられ得る。ホルダは通常、拭き取り清浄表面／界面を備えており、超音波トランスデューサはホルダから着脱可能である（例えば、ホルダを取り外さずにネジ止め／加圧し得る）。

図６Ａは、図４および図５に図示される栽培ベッドトレイと共に使用するための植物支持トレイ６２の形態の植物支持体を示す。植物支持トレイ６２は、プラスチック材料であり、作物の支持体として作用する開口部６６を有する底部６４を備える。植物支持トレイ６２は、高い側壁６８、７０および低い側壁７２、７４を備える。高い側壁６８、７０の上部は、他の植物支持トレイと便利に積み重ねられるような形状である。

図６Ｂは、保管のために積み重ねられた図６Ａによる複数の植物支持トレイ６２を示す。

図７は、本発明による使用準備の整った気耕栽培装置の斜視図である。装置は、３つの栽培ベッド５０３、５０４、５０５のラック状配置５０１を備え、各栽培ベッドは、栽培ベッドトレイ５０２および５つの植物支持トレイ６２を有する。栽培ベッド５０３、５０４、５０５は、棚ラック５０７で支持される。各栽培ベッド５０３、５０４、５０５は、制御パネル５５２によって個別に制御され得る。一般に、農業設備を運用するための追加のソフトウェア制御システムがあり得る。

本発明による気耕栽培装置は、一般に、温室および垂直農法用、特に商用温室および垂直農場用のものである。実際には、装置は、１つ以上の栽培ベッドトレイから形成される中空の栽培ベッドを備え得、各栽培ベッド／栽培ベッドトレイは、前面端部、背面端部、外形底部、および開放上面を有し得る。栽培ベッドトレイの底部は、特定の場所に養液を収集／誘導するための栽培ベッドトレイ／栽培ベッドの底部において、ベッド幅に依存する１つ以上のサンプまたは勾配／テーパーを備えてもよい。

一般に、各超音波トランスデューサは独立して制御されてもよい。

装置は、センサおよび追加のモジュール式装置の導入のために、栽培ベッド構造において標準化されたインターフェースを有し得る。栽培ベッドの端部は着脱可能であり得、固定アタッチメントを使用して別の栽培ベッドに着脱可能に固定され得る。栽培ベッドの端部は、隣接するシステムに複数のベッドを共に取り付けるためのＴセクションと、内部領域を囲み、パイプ／チューブアタッチメント用の界面を含む端部セクションとを含み得る。

装置は一般に、養液のための入口、出口、または入口と出口の両方であり得る、少なくとも１つのポートを含む。溶液は養液リザーバからパイプ／チューブ／導管を介して提供され得、比較的低圧のポンプの重力によって駆動される。ガスセンサー機器および視覚センサ機器の使用、ならびにガス（例えば、空気、酸素、および／または二酸化炭素）の供給のために、水ラインの上部に他の流体入口および出口が存在し得る。

使用中、植物支持培地は、栽培している植物を支持し、水分の損失を低減するために、栽培ベッドトレイ／栽培ベッド全体に配置され得る。植物支持体は繊維状であり得る。植物支持体は、一般に、葉、樹冠および果実が植物支持体の上部にあり、根が噴霧器によって生成されたミストに接触し得る場所の下部にぶら下がっているように、作物植物を支持する。これは、作物を収穫、監視、さもなくば世話をする機器のための空間を確保できるため、有用である。植物支持培地の更なる利点は、装置内の湿度の制御、特に根空間の湿度、を維持することが重要であるため、根空間からのエアロゾル／ミスト（および水分）の漏出を低減または防止することである。したがって、装置は、収穫、監視または他の世話用デバイスの移動または位置決めを可能にする、レールまたは他の機構を有し得る。

装置は、栽培ベッド／栽培ベッドトレイの上部に照明を吊り下げるための照明固定具を備え得、また使用時に、照明固定具に取り付けられた照明をも備え得る。

装置は、栽培ベッドトレイの底部に噴霧器を取り付けるためのアタッチメント部を有し得、超音波トランスデューサと、超音波トランスデューサを保持するために音響的に設計されたホルダとを備え得る。超音波トランスデューサは、通常、１つ以上の圧電デバイスを備える。ホルダは通常、音響的に適切な材料（つまり、適切な音響特性を有する材料）で作られ、超音波で生成されたミストを効果的に分散させるための適切な形状要素を有する。ホルダおよび／または超音波トランスデューサは、メンテナンスのために、栽培ベッド／栽培ベッドトレイから、および互いから、分離可能であり得る。

存在する噴霧器、照明、センサおよびその他の電動装置はまた、電源に接続するための電気コネクタを有する。

気耕栽培装置は、垂直水耕栽培または気耕温室作物生産のための方法を可能にし、この方法は、チューブおよびポンプを介して栽培ベッドを養液リザーバに接続するステップを含み、気耕生産および、必要に応じて水耕生産の両方の使用を可能にする。

気耕栽培法は、トラフ（すなわち、栽培ベッドトレイまたは複数の栽培ベッドトレイ）が効率的に完全に作動するのに十分な養液を有し、養液レベルが超音波トランスデューサの起動に最適なレベルに維持されるのに十分な量になるように、リザーバからチューブを介して栽培ベッドに養液を圧送するステップを含む。霧化を通じて、通常、トラフは部分的に満たされる。養液がより多くなると、エアロゾルが生成される表面に到達する前に、エネルギーが散逸する。したがって、各トランスデューサには、霧化が最も効果的となる焦点があり得る。

超音波トランスデューサは、所定の周波数と電力で稼働して液滴サイズを制御し、養液の植物の根への最も効率的な沈着を保証する。これは、根の成長段階と根床の密度に依存する。例えば、より小さな液滴は、高密度の床および成長した植物に用いられ得、より大きなサイズの液滴は、低密度床およびより若い植物に用いられ得る。

あまり好ましくない水耕栽培法は、支持体と栽培ベッドの栽培ベッドトレイの底部との間の距離を減らすために、栽培ベッドトレイ内の植物支持体の高さを調整することを含み得る。しかしながら、通常、栽培ベッドトレイは養液で満たされ、植物の根が存在する場合、植物の根が養液に浸される。養液は、栽培ベッドが満杯になるようにリザーバから栽培ベッドトレイ／栽培ベッドに圧送され得、それにより水位が植物の水耕栽培に最適なレベルに維持される。

本発明の装置は、エアロゾルの特徴的な分散を伴う、液滴の予測可能なサイズ分布を生成する液滴霧化の制御をよりよくすることを使用者にとって可能にするので、特に有利である。本発明は、駆動周波数を調整および制御することにより、１つ以上の超音波トランスデューサを用いて液滴サイズの制御を可能にする。さらに、トランスデューサの駆動回路を操作することによって、液滴流量（速さ）と分散（速度）の制御が可能である。これは、駆動電圧／電流によって制御される。したがって、そのような制御は一般に、ホルダ内に１つ以上の超音波トランスデューサを有することによって達成され得る。個々のトランスデューサの圧電ディスク特性を用いて、稼働時に適切なサイズおよび／または速さの液滴を生成するトランスデューサを選択する。トランスデューサは、栽培ベッド内の水柱の所定の部分が、液滴形態への霧化点まで励起されるように配置され得る。トランスデューサは、噴霧器内で発生した振動を、栽培ベッドの底部を介してエネルギーの散逸を最小限に抑えて伝導し得るホルダに取り付けられている。ホルダは、保護ケーシング、圧電材料の加圧（特に均一な加圧）、ヒートシンクとして機能する材料、およびトランスデューサを所定の位置に保持するための構造支持体も提供することが好ましい。

この装置は、所定の液滴サイズで超音波トランスデューサを作動させることによる超音波噴霧を通じて、制御されたサイズおよび挙動の養液の液滴の生成を可能にする。

養液は、水に溶解した適切な養分を使用して調製され得、または他のプロセス、例えば魚の養殖、特にアクアポニックスに由来する養液であり得る。本発明のアクアポニックスおよび気耕栽培／水耕栽培の組み合わせは、有利であり得る。

本発明の装置および方法に適し得る作物には、サラダ用作物（例えば、ベビーリーフレタス、ルッコラ、クレソン）、ハーブ（例えば、バジル、コリアンダー）、ワケギ、根菜（例えば、ニンジン、ラディッシュ、ワサビ）、果実作物（例えば、ピーマン、イチゴ、トマト）およびマイクログリーン（たとえば、ラディッシュ、エンドウマメ、ヒマワリ、リーキ）が含まれる（ただしこれらに限定されない）。

（実施例１～８）
図７に示されている発明による気耕栽培装置を使用して、最大１９日間、いくつかの作物植物を試験的に栽培した。

試験の条件を、本発明の気耕栽培装置を使用した成長率および収量の結果とともに、表１に示す。作物はコリアンダー、ウイキョウ、リーキ、エンドウマメ（Ｓｔｙｌｅ種）、ラディッシュ（Ｒｉｏｊａ種）、ラディッシュ（Ｓａｎｇｒｉａ種）、赤キャベツ、ヒマワリであった。

Claims (32)

1. 気耕栽培装置であって、
   底部および少なくとも２つの側壁を有する栽培ベッドトレイであって、
   前記底部から離間した位置で植物支持体を保持するように適合された栽培ベッドトレイと、
   養液を噴霧するための噴霧器であって、前記栽培ベッドトレイの前記底部に位置し、超音波トランスデューサと、前記超音波トランスデューサを所定の位置に固定するための固定部とを備える噴霧器と、を備える
   気耕栽培装置。
2. 前記固定部は、接着剤、必要に応じてエポキシ接着剤を備える、請求項１に記載の気耕栽培装置。
3. 前記固定部は、ホルダ、必要に応じて前記栽培ベッドトレイから着脱可能なホルダを備える、請求項１または２に記載の気耕栽培装置。
4. 前記超音波トランスデューサは、前記ホルダから着脱可能である、請求項４に記載の気耕栽培装置。
5. 前記ホルダは、前記超音波トランスデューサを取り囲む、請求項３または請求項４に記載の気耕栽培装置。
6. 前記１つまたは複数の超音波トランスデューサは、前記栽培ベッドトレイの前記底部の下に取り付けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
7. 前記１つまたは複数の超音波トランスデューサは、前記超音波トランスデューサが前記栽培ベッドトレイの前記底部に接触し、好ましくはそれに対して加圧されるように、ホルダに保持される、請求項６に記載の気耕栽培装置。
8. 使用時に前記１つまたは各超音波トランスデューサを保護する１つ以上の噴霧器シールドをさらに備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
9. 少なくとも２つの超音波トランスデューサを備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
10. 前記１つまたは各栽培ベッドトレイは、２個から４８個の超音波トランスデューサを備え、好ましくは４個から３６個の超音波トランスデューサ、より好ましくは６個から２４個の超音波トランスデューサを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
11. 各超音波トランスデューサは、独立して制御され得る、請求項９または請求項１０に記載の気耕栽培装置。
12. 前記１つまたは各超音波トランスデューサは、圧電トランスデューサである、請求項１から１１のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
13. 前記１つまたは各超音波トランスデューサは、好ましくはキロヘルツまたはメガヘルツの範囲の共振周波数、より好ましくは２００ｋＨｚから１００ＭＨｚの範囲の共振周波数を有する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
14. 少なくとも１つの液体ポートをさらに備え、必要に応じて、前記液体ポートは、養液を前記栽培ベッドトレイの前記底部に流入させるための液体入口を備える、請求項１から１３のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
15. 前記噴霧器は、前記栽培ベッドトレイの前記底部に位置する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
16. 前記液体ポートは、リザーバに接続された入口パイプに接続可能であり、前記リザーバは養液を保持するためのものである、請求項１４または請求項１５に記載の気耕栽培装置。
17. 養液を前記リザーバから前記液体ポートに圧送するためのポンプをさらに備える、請求項１６に記載の気耕栽培装置。
18. 前記養液は、水産養殖の副産物である、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
19. 前記栽培ベッドトレイは、前記栽培ベッドトレイの前記底部から離間して配置された植物支持体を保持するように適合され、必要に応じて１つ以上の支持体ごとに、必要に応じて前記栽培ベッドトレイの側壁に配置される、請求項１から１８のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
20. １つ以上の前記側壁は、着脱可能である、請求項１から１９のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
21. ２つ以上の栽培ベッドトレイを共に取り付けるための栽培ベッドトレイアタッチメントをさらに備える、請求項１から２０のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
22. 複数の栽培ベッドトレイを備える栽培ベッドを備える、請求項１から２１のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
23. 前記栽培ベッドトレイにセンサを固定するための１つ以上のセンサ固定具をさらに備え、必要に応じて、前記センサ固定具に固定された、水分、光、ｐＨ、温度、二酸化炭素、酸素、赤外線、超音波センサから選択される１つ以上のセンサをさらに備える、請求項１から２２のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
24. 少なくとも１つの植物支持体をさらに備える、請求項１から２３のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
25. 前記植物支持体は、植物支持トレイを備える、請求項２１に記載の気耕栽培装置。
26. 少なくとも１つの植物支持体と、前記噴霧器を覆う養液とを備える、請求項１から２５のいずれか一項に記載の気耕栽培装置。
27. 前記植物支持体中に、作物と、使用中に前記植物支持体と前記栽培ベッドトレイの前記底部との間の根空間に位置する前記作物の根と、をさらに備える、請求項２６に記載の気耕栽培装置。
28. 作物生産のための方法であって、
    （ａ）請求項１から２７のいずれか一項に記載の気耕栽培装置を提供するステップと、
    （ｂ）前記栽培ベッドトレイの前記底部から離間した位置に植物支持体を提供するステップと、
    （ｃ）前記植物支持体に作物を提供するステップと、を含み、そして、
    ステップ（ｃ）は、
    （ｉ）養液を前記栽培ベッドトレイの前記底部に流し、少なくとも前記作物の根に浸すことによって接触させるステップ、および／または
    （ｉｉ）前記栽培ベッドトレイの前記底部に養液を提供し、前記噴霧エアロゾル養液が少なくとも前記作物の根に接触し、必要に応じて前記根空間で接触するように、前記養液を噴霧するステップ、
    のいずれかを含む、作物生産のための方法。
29. 前記養液を噴霧するステップは、制御された液滴サイズ分布を提供するために前記養液を噴霧することを含む、請求項２８に記載の方法。
30. 前記液滴サイズ分布は、１から１００μｍの範囲の直径を有する液滴を含む、請求項２９に記載の方法。
31. 根密度センサを提供するステップと、根床の密度を検知するステップと、前記養液を噴霧して、前記根床の密度に対する所定の最適な液滴サイズ分布に対応する制御された液滴サイズ分布を提供するステップと、をさらに含む、請求項２８から３０のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記養液は、水産養殖の副産物を含む、請求項２８から３１のいずれか一項に記載の方法。