JP5057882B2 - 植物の水耕栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、植物を水耕栽培する装置であって、植物の生育状況に応じて、供給する養液をきめ細かく制御することにより、植物の栄養状態を改善するとともに、養液の総使用量を減らすことが可能なものに関する。

従来、植物工場等の植物栽培施設では、上下方向に多段に積み上げた栽培棚を備える栽培ユニットを複数設置し、各栽培棚の上部に人工照明設備を設け植物に光を照射し、部屋全体の温度・湿度条件を植物の生育に適するものに維持して植物を栽培している。このような多段栽培は限られた部屋内の空間を有効に利用するのに好適である。

このような植物栽培施設において水耕栽培を行なう場合、多数の栽培棚に効率的に養液を供給するには、養液供給装置に対して各栽培棚を並列に配置して、タンクから一括して各栽培棚に養液を供給し、植物に養分を与えた後、各栽培棚から排出された廃液をタンクに回収し、適宜成分調整を行なった後、再度養液として各栽培棚に配給するようにしている（特許文献１）。
特開２００５−２１０６５

しかしながら、一括して養液を調製して、それを循環させながら複数の栽培棚に供給するシステムは効率的ではあるものの、異なる生育段階にある植物にも同じ栄養を与えることになり、植物の生育状態に合わせたきめ細かい制御を行なうには適していない。また、病気等が発生した場合、養液を介して植物栽培施設全体に伝染してしまう危険性がある。

一方、減少した分だけ各成分及び水分を補充して、養液の調整を行なう方法もある。しかしながら、このような方法は通常太陽光下で植物を栽培する場合に用いる方法であり、当該方法を人工光源下での栽培に適用すると、人工光源下での植物の生育速度は太陽光下においてより速いので、これに伴い養液の成分変動も速く、また、植物種や生育段階によって各成分の消費状況も異なり、これらに応じて減少した分だけ各成分及び水分を補充して養液の調整を行なうことは極めて困難である。また、古い養液に順次各成分及び水分が継ぎ足されると、水道水中に溶解している塩素等のような植物にほとんど吸収されない物質が養液中に蓄積して行き植物の生育に悪影響を及ぼすこともある。

本発明はかかる問題点に鑑みなされたものであって、供給する養液を植物の生育状態に応じてきめ細かく制御できるとともに、病気発生時の危険も分散でき、更に、液量のみの制御で養液の組成の調整が可能となる水耕栽培装置を提供することをその主たる所期課題としたものである。

すなわち本発明に係る水耕栽培装置は、植物を水耕栽培することが可能な栽培棚を備えた栽培棚ユニットと、前記栽培棚ユニット毎に配設され、前記栽培棚ユニットに対し養液を循環させながら供給する循環流路と、前記循環流路上に設けられ、蓄液可能な循環養液タンクと、養液を調製する養液調製装置と、前記循環養液タンクに対して前記養液調製装置から養液を供給する独立流路と、を備えており、前記循環養液タンクへの養液の流入量と流出量とを制御して前記循環流路を循環する養液の組成を調整する養液調整機能を有することを特徴とする。

一般的に、植物を種子から収穫可能な状態まで栽培する過程は、（１）培地（ウレタン、ロックウール等）に種を播き、湿らせ、少し肥料をやった状態で、６〜１４日程度おく播種工程、（２）個体間隔を５〜７ｃｍ間隔に広げ、培養液を循環させたところに根を浸して成長させる育苗工程、及び、（３）１０〜１５ｃｍ程度に育った苗を収穫ラインに植え、１４〜１６日育てて収穫するまでの定植工程からなる。本発明に係る装置は、これら工程のうち、育苗工程〜定植工程、又は、定植工程に適用するものである。

このようなものであれば、養液の供給経路が栽培棚ユニット毎に独立しているので、植物の種類や生育状況に応じて、供給する養液をきめ細かく制御できるとともに、病気発生時の危険も分散できるので、種類や生育状況の異なる多数の植物に一括して養液を供給する従来の装置に比べて、植物の栄養・健康状態を改善することが可能である。また、前記循環養液タンクへの養液の流入量と流出量とを制御して前記循環流路を循環する養液の組成を調整する養液調整機能を有していることより、液量のみの制御で養液の組成の調整が可能となるので、循環する養液の管理が容易でセンサ類を用いて各成分の調整を行うような複雑な制御が不要となり、ランニングコストを抑制することができる。

本発明に係る水耕栽培装置において、前記養液調製装置は複数設けてあり、各養液調製装置はそれぞれ異なった組成を有する養液を調製するものであることが好ましい。このようなものであれば、例えば、植物の生育段階に応じて数種類の養液を用意することができる。

また、前記循環養液タンクは、相互に液体が移動可能に構成してある複数のタンク要素からなり、前記循環流路と前記独立流路とは、前記栽培棚から流出した養液が前記循環流路を流通して上流側の前記タンク要素に流入し、前記養液調製装置から供給された養液が前記独立流路を流通して下流側の前記タンク要素に流入するように配設してあることが好ましい。

そして、前記上流側のタンク要素は、前記循環養液タンク内の液量が規定の液量を超えると超過した分が流出するように設けられた排出口を備えていることが好ましい。

このようなものであれば、新たに調製した養液を循環養液タンクに供給することにより、古い養液は循環養液タンクから排出され、循環流路を循環する養液が順次新しいものに入れ替わるので、循環養液タンクに供給する新たな養液の液量（流量）を制御することにより循環流路を循環する養液の組成を調整することができる。このため、各成分ごとの細かい調整が不要となり、養液の管理を極めて容易に行うことが可能となる。また、古い養液は循環養液タンクから排出されていくので、水道水に由来する塩素等のような植物にほとんど吸収されない物質が循環流路を循環する養液中に蓄積しない。

本発明に係る水耕栽培装置において、前記栽培棚ユニットは、複数の栽培棚を備えているものであってもよい。また、前記栽培棚ユニットが複数設けてあり、前記独立流路が単一の前記養液調製装置から複数の前記栽培棚ユニットに養液が供給されるように配設してあれば、多量の植物を効率的に栽培することが可能となる。

このような構成の本発明によれば、供給する養液を植物の生育状態に応じてきめ細かく制御できるとともに、病気発生時の危険を分散できる。また、液量のみの制御で養液の組成の調整が可能となるのでランニングコストを抑えることができる。

以下に本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。

本実施形態に係る水耕栽培装置１は、植物を水耕栽培するための装置であって、図１に示すように、複数の栽培棚３２を備えた栽培棚ユニット３と、栽培棚ユニット３毎に配設され、栽培棚ユニット３に対し養液を循環させながら供給する循環流路１１と、循環流路１１上に設けられて蓄液可能な循環養液タンク１２と、養液を調製する養液調製装置２１、２５と、循環養液タンク１２に対して養液調製装置２１、２５から養液を供給する独立流路２３と、を備えたものである。

以下に各部を詳述する。栽培棚ユニット３は、例えば、図２に示すように、複数段の栽培棚３２を備えるものであり、複数の支柱３１と、この支柱３１に支持させた植物生育用の栽培棚３２と、栽培棚３２で生育する植物を照明するための光照射装置３３とを具備している。なお、図２においては、支柱３１の片側のみに栽培棚３２が設けてあるが、支柱３１を挟んでその両側に栽培棚３２が設けてあっても良い。また、１体の栽培棚ユニット３に設置する栽培棚３２の枚数も特に限定されず、適宜設定することができる。

栽培棚３２は、複数の栽培用パレット３Ｐを一列に並べた状態で載置し得るように、上面を開口させた略箱体状のものである。そして、上流側の端部に養液を取り入れるための供給口１１２が設けてあり、下流側の端部に内部を流通させた養液を排出するための排出口１１１が設けてある。そして、図３に示すとおり、栽培棚３２に流入した養液の液面が所定の高さｈを超えると、余剰の養液が排出口１１１から排出される。

栽培棚３２に並べる栽培用パレット３Ｐの枚数は、栽培する野菜Ｖ等に応じて、適宜変更することができる。また、本実施形態では各栽培用パレット３Ｐで、栽培する植物Ｖの個数を６個としているが、この個数も特に限定されない。

光照射装置３３は、各栽培棚３２の下面にそれぞれ設けたものであって、例えば、光源として蛍光灯や白色の光を発光する発光ダイオード等を用いたものである。そして、本実施形態では、照射周期及びデューティ比を、図示しない生育制御用主装置で制御し得るように構成してある。これにより、それぞれの光照射装置３３によって、１段下の栽培棚３２で生育中の植物を好適に照明することができる。

循環流路１１は、その上流端を栽培棚ユニット３の最下段の栽培棚３２の壁面に開口させた養液の排出口１１１とし、その下流端を栽培棚ユニット３の最上段の栽培棚３２の壁面に開口させた養液の供給口１１２としたものである。そして、養液が栽培棚ユニット３及び流路１１を循環するように構成している。

具体的には、循環流路１１には、前記排出口１１１に引き続いて、上流側から、循環養液タンク１２、ポンプ１４がこの順に直列に接続してあり、栽培棚ユニット３の最下段の栽培棚３２から排出口１１１を介して流出した養液は、循環養液タンク１２を経由してその一部が新規な養液と混ざり合い、栽培棚ユニット３の最上段の栽培棚３２に設けられた供給口１１２から、再度栽培棚ユニット３に供給される。

循環養液タンク１２には、図１及び図４に示すように、循環養液タンク１２を２つのタンク要素１２１、１２２に分割する仕切り壁１３と、循環養液タンク１２の上流側のタンク要素１２１の側壁に形成された排出口１５と、養液の出口１６と、が設けてある。また、仕切り板１３の下には開口部１７が設けてあり当該開口部を介して各タンク要素１２１、１２２が連通していることにより各タンク要素１２１、１２２の養液が相互に流通可能に構成してある。排出口１５は仕切り壁１３の上端より下方に設けてあり、循環養液タンク１２内の養液の液面が上昇し高さＨを超えると超過した分が排出口１５から排出される。

循環養液タンク１２の上流側のタンク要素１２１には栽培棚ユニット３から排出された使用後の養液が循環流路１１を介して流入し、循環養液タンクの下流側のタンク要素１２２には養液調製装置２１、２５で調製された新規な養液が独立流路２３を介して流入する。このため、循環養液タンク１２内の養液の液量が規定量を超えて液面が高さＨを超えると、栽培棚ユニット３から排出された使用後の養液が優先的に排出口１５から排出され、一方、新規な養液は少量の使用後の養液と混合して希釈された後、循環流路１１を流通して栽培棚ユニット３に供給される。

開口部１７の高さは、規定の液面の高さＨの１／３以下であることが好ましく、より好ましくは１／４以下である。開口部１７の高さが規定の水位の高さＨの１／３を超えると、上流側のタンク要素１２１に流入した使用後の養液と下流側のタンク要素１２２に流入した新規な養液とが大量に混じり合い、組成が急激に変化することがある。

本実施形態においては、開口部１７の高さ及び排出口１５の設置箇所の高さＨと、ポンプ１４及びポンプ２４の流速とが相まって、循環流路１１を循環する養液の組成を調整する機能を果たし、養液調整手段として機能する。なお、循環養液タンク１２にはセンサ類は一切備わっていない。

養液調製装置２１、２５は、異なる組成を有する養液を調製するものであり、それぞれに図示しない各種センサが備わっており、当該センサにより養液の各成分濃度、ｐＨ、液量等が測定される。本実施形態における養液調製装置の設置数は２台であるが、使用する養液の種類数により適宜変更することができ、例えば、栽培の前期、中期、後期で供給する養液の組成を変える場合は、各養液に対してそれぞれ養液調製装置を設ければ良い。また、水を供給するための装置をあわせて設けても良い。

前記各種センサで測定された各種データは各養液調製装置２１、２５に接続された情報処理装置２２、２６により解析される。この情報処理装置２２、２６は、ＣＰＵ、内部メモリ、ＨＤＤ等の外部記憶装置、モデム等の通信インタフェース、ディスプレイ、マウスやキーボードといった入力手段等を有し、前記内部メモリや外部記憶装置等の所定領域に設定したプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器を作動させることにより、データ解析が行なわれるように構成してある。かかる情報処理装置２２、２６は、汎用のコンピュータであっても良く、専用のものであっても良い。

そして、情報処理装置２２、２６による解析結果に基づいて養液の成分調整等が行なわれ、養液調製装置２１、２５において新規な養液が調製される。

独立流路２３には、上流側から養液調製装置２１、２５及びポンプ２４がこの順に配置してあり、養液調製装置２１、２５で調製された養液はポンプ２４により吸引され独立流路２３を介して循環養液タンク１２の下流側のタンク要素１２２に供給される。

本実施形態において、水耕栽培装置１を流通する養液としては特に限定されないが、例えば、窒素、リン酸、カリウム、石灰、マグネシウム、鉄、ホウ素、マンガン、亜鉛、モリブデン、銅等の各栄養素を、栽培する植物の種類や生育状態に応じて、適宜水に混合して得た液肥が挙げられる。なお、植物の生育状況によっては単なる水を水耕栽培装置１に流通させても良い。例えば、収穫を控えた植物に水だけを供給することにより、植物体内の硝酸態窒素を減らすことができる。

このような本実施形態に係る水耕栽培装置１を用いて植物を水耕栽培するには、まず、苗を栽培用パレット３Ｐに植え付け、液面の高さが略Ｈとなるように養液調製装置２１、２５から循環養液タンク１２に養液を供給する。

次いで、ポンプ１４を作動し、循環流路１１を介して、供給口１１２から栽培棚ユニット３に養液を供給する。並行して養液調製装置２１、２５において栽培状況に適した組成の養液を調製し、ポンプ２４により吸引し、独立流路２３を介して、循環養液タンク１２の下流側のタンク要素１２２に新規な養液を供給する。

そして、栽培状況に応じて、養液調製装置２１、２５で調製する養液の組成を変え、また、ポンプ１４及びポンプ２４を制御して循環速度及び供給速度を調整する。

植物を水耕栽培する場合、養液の組成の変化が急激であると、植物に負担が係り健康状態が悪化する。これに対して本実施形態のようなものであれば、各種植物に対して供給する養液の組成、養液の循環速度、養液の供給速度等を一度設定すれば、その後はセンサ不要な簡単な構造の循環養液タンクを配置することにより、急激な養液の組成の変動を抑制して略一定の組成の養液を植物に供給することができる。また、センサ不要の簡易な構成の循環養液タンクにより液量のみの制御で循環する養液の組成の調整が可能となるので、ランニングコストを抑えることができる。

また、各循環流路１１は栽培棚ユニット３毎に独立しているので、液量のみの制御で供給する養液を植物の生育状況に応じてきめ細かく制御することができるとともに、病気発生時の危険も分散できるので、植物の栄養・健康状態を改善することが可能である。また、きめ細かい制御の結果、養液の総使用量を減らすことも可能となる。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

循環流路１１を循環する養液中から植物由来の分泌物や夾雑物を除去するために、流路１１上に、フィルタやろ過装置や浄化装置等を設けても良い。

前記実施形態では仕切り板１３の下方において各タンク要素１２１、１２２が連通していることにより各タンク要素１２１、１２２の養液が相互に流通可能であったが、仕切り板１３の上方を介して各タンク要素１２１、１２２の養液が相互に流通可能となっていても良い。また、仕切り板１３に孔が開いていて、当該孔を介して各タンク要素１２１、１２２の養液が相互に流通可能となっていても良い。なお、仕切り板１３の下に各タンク要素１２１、１２２を連通する開口部１７があれば、循環養液タンク１２内の液量が減少しても養液を循環させることができ、また、循環養液タンク１２内の清掃時等にはいずれか一方のタンク要素にドレインがあれば循環養液タンク１２内の養液を全て排出することができる。

その他、本発明は上記の各実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない限り、前述した種々の構成の一部又は全部を適宜組み合わせて構成しても良い。

本発明の一実施形態に係る水耕栽培措置の全体模式図。 同実施形態における栽培棚ユニットの斜視図。 同実施形態における棚ユニットの一部拡大正面図。 同実施形態における循環養液タンクの模式的側面図。

符号の説明

１・・・水耕栽培装置
１１・・・循環流路
１２・・・循環養液タンク
２１、２５・・・養液調製装置
２３・・・独立流路

Claims (4)

1. 植物を水耕栽培することが可能な栽培棚を備えた栽培棚ユニットと、
   前記栽培棚ユニット毎に配設され、前記栽培棚ユニットに対し養液を循環させながら供給する循環流路と、
   前記循環流路上に設けられ、蓄液可能な循環養液タンクと、
   養液を調製する養液調製装置と、
   前記循環養液タンクに対して前記養液調製装置から養液を供給する独立流路と、を備えており、
   前記循環養液タンクへの養液の流入量と流出量とを制御して前記循環流路を循環する養液の組成を調整する養液調整機能を有し、
   前記養液調製装置は、複数設けてあり、各養液調製装置はそれぞれ異なった組成を有する養液を調製するものであり、
   前記循環養液タンクは、相互に液体が移動可能に構成してある複数のタンク要素からなり、
   前記循環流路と前記独立流路とは、前記栽培棚から流出した養液が前記循環流路を流通して上流側の前記タンク要素に流入し、前記養液調製装置から供給された養液が前記独立流路を流通して下流側の前記タンク要素に流入するように配設してある水耕栽培装置。
2. 前記上流側のタンク要素は、前記循環養液タンク内の液量が規定の液量を超えると超過した分が流出するように設けられた排出口を備えている請求項１記載の水耕栽培装置。
3. 前記栽培棚ユニットは、複数の栽培棚を備えている請求項１又は２記載の水耕栽培装置。
4. 前記栽培棚ユニットは、複数設けてあり、
   前記独立流路は、単一の前記養液調製装置から複数の前記栽培棚ユニットに養液が供給されるように配設してある請求項１、２又は３記載の水耕栽培装置。