JP5662686B2

JP5662686B2 - 植物栽培装置

Info

Publication number: JP5662686B2
Application number: JP2010013635A
Authority: JP
Inventors: 恭子堤; 山口　重行; 重行山口; 伊藤　良泰; 良泰伊藤; 前田　康成; 康成前田; 仁史北村; 尚紀柴田; 松村　浩一; 浩一松村
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-01-25
Filing date: 2010-01-25
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2030-01-25
Also published as: JP2011152048A

Description

本発明は、植物一般の栽培に用いられ、酸素溶存濃度の高いまたは低い水を生成し、植物に供給する植物栽培装置に関する。

従来、植物の生長に必要な養分および水分を液肥として与える養液栽培などを中心に行われている、養液を浅くして空気と接触させるなどの栽培方法では、養液中の溶存酸素濃度を高くすることが行われている。

一方、もやしやトマトなどの野菜の栽培では、養液の溶存酸素濃度を低くし、ストレスを与えると、野菜の糖度が上昇するという報告がなされている。これに関連して、特許文献１には、栽培室や栽培容器に窒素を充填して気体中の酸素濃度を低減させてもやしを栽培する方法が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載された酸素濃度の調節は、室内全体の雰囲気中の酸素濃度を低くする場合には、作業者の室内での立ち入り作業が制限され、また、窒素充填のためのコストが高くなるという問題がある。また、栽培容器に窒素を充填して酸素濃度を低くする場合には、濃度調節の作業性が十分高いとはいいにくい面がある。

さらに、トマトなどの実野菜の生長から結実という変化に対しては、生長のために溶存酸素濃度を高くする段階と結実のために溶存酸素濃度を低くする段階が並存するため、溶存酸素濃度の切り替えを円滑に行う必要がある。溶存酸素濃度の切り替えは、品種ごとに、また、栽培エリアごとに要求されるものであるが、この要求を満たす方策は、溶液中の溶存酸素濃度を調節する場合も含め、これまでに実現されていない。

特開２００３−３２５０４０号公報

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、水中の溶存酸素濃度を簡便に調節することができ、溶存酸素濃度の高低の切り替えを容易に行い、育成に適した水を植物に供給することのできる植物栽培装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。

第１の発明は、酸素分圧を空気よりも高めた高酸素濃度空気と、酸素分圧を空気よりも低くした低酸素濃度空気とを生成し、高酸素濃度空気と低酸素濃度空気を切り替えて供給する空気調節手段と、水が供給されるとともに、空気調節手段に連通し、空気調節手段から高酸素濃度空気または低酸素濃度空気が供給され、水中に高酸素濃度空気または低酸素濃度空気を溶解させ、空気溶解水を生成する溶解タンクと、溶解タンクで生成した空気溶解水を植物に供給する給水手段と、を備え、空気調節手段は、高酸素濃度空気および低酸素濃度空気を生成する空気生成部と、高酸素濃度空気を回収する第１の回収部と、低酸素濃度空気を回収する第２の回収部と、開閉弁とを備え、第１の回収部および第２の回収部のそれぞれが溶解タンクに連通し、第１の回収部の溶解タンクとの連通と、第２の回収部の溶解タンクとの連通が、開閉弁によって切り替え可能とされていることを特徴としている。

第２の発明は、上記第１の発明の特徴において、空気調節手段は酸素富化膜を備え、空気調節手段は、空気を酸素富化膜に透過させることによって高酸素濃度空気を生成するとともに、副産物として低酸素濃度空気を生成することを特徴としている。

上記第１の発明によれば、空気調節手段において、酸素分圧が空気よりも高い高酸素濃度空気と、酸素分圧が空気よりも低い低酸素濃度空気とを生成し、高酸素濃度空気と低酸素濃度空気を切り替えて溶解タンクに供給することができる。発芽から生育までの生長過程では、酸素が多く必要とされることから、高酸素濃度空気を溶解タンクに供給し、溶存酸素濃度が飽和濃度よりも高い空気溶解水を生成し、植物に供給することができる。また、結実過程では、品質のために酸素不足のストレスを与える際に、低酸素濃度空気を溶解タンクに供給し、溶存酸素濃度が飽和濃度よりも低い空気溶解水を生成し、植物に供給することができる。水中の溶存酸素濃度は簡便に調節され、溶存酸素濃度の高低の切り替えを容易に行うことができる。育成に適した水を植物に供給することができる。

上記第２の発明によれば、上記第１の発明の効果に加え、空気調節手段に備えた酸素富化膜に空気を透過させることによって、高酸素濃度空気が生成し、そのときの副産物として低酸素濃度空気が生成する。このため、低酸素濃度空気の生成を簡便に行うことができ、水中の溶存酸素濃度の高低の切り替えをより一層容易に行うことができる。

本発明の植物栽培装置の一実施形態を概略的に示した構成図である。空気調節手段に備えることのできる酸素富化ユニットを例示した斜視図である。溶解タンクおよびその周辺を例示した斜視図である。図３に示した溶解タンクの断面図である。

上記のとおり、図１は、本発明の植物栽培装置の一実施形態を概略的に示した構成図である。図２は、空気調節手段に備えることのできる酸素富化ユニットを例示した斜視図であり、図３は、溶解タンクおよびその周辺を例示した斜視図である。図４は、図３に示した溶解タンクの断面図である。

植物栽培装置１は、空気調節手段２と、溶解タンク３と、給水手段４とを備えている。

空気調節手段２では、酸素分圧を通常の空気よりも高めた高酸素濃度空気および酸素分圧を通常の空気よりも低くした低酸素濃度空気を生成する空気生成部２ａと、高酸素濃度空気を回収する第１の回収部２ｂと、低酸素濃度空気を回収する第２の回収部２ｃとが設けられている。

空気調節手段２は、溶解タンク３と連通しており、第１の回収部２ｂが、溶解タンク３に第１の空気供給路５ａによって接続され、第２の回収部２ｃが、第１の空気供給路５ａに第２の空気供給路５ｂによって接続されている。第１の空気供給路５ａには、第１の回収部２ｂ側に第１の開閉弁６ａが設けられ、第２の空気供給路５ｂには、第２の回収部２ｃ側に第２の開閉弁６ｂが設けられている。空気生成部２ａで生成した高酸素濃度空気を溶解タンク３に供給する場合には、第１の開閉弁６ａを開放し、第２の開閉弁６ｂを閉鎖して、第１の回収部２ｂに回収した高酸素濃度空気を溶解タンク３に送り込むことができる。低酸素濃度空気を溶解タンク３に供給する場合には、第１の開閉弁６ａを閉鎖し、第２の開閉弁６ｂを開放する。空気生成部２ａで生成した低酸素濃度空気は、第２の空気供給路５ｂ、第１の空気供給路５ａを順次通じて、溶解タンク３に送り込まれる。

このように、空気調節手段２は、高酸素濃度空気と低酸素濃度空気を必要なときに生成し、それぞれを切り替えて溶解タンク３に供給することができる。

溶解タンク３は、上記のとおりの空気調節手段２に連通するとともに、水道などの水源７にも給水路８を介して連通している。溶解タンク３には、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気のいずれか一方が供給されるとともに、給水路８を通じて水源７から水が供給される。水源７からの水圧が低い場合には、給水路８に設けることのできるポンプ９によって水を加圧して溶解タンク３に送り込むことができる。また、空気調節手段２に接続された第１の空気供給路５ａは、給水路８におけるポンプ９の吸込側に接続することができる。この場合、溶解タンク３に水を導入する以前に高酸素濃度空気または低酸素濃度空気を水中に混入させることができ、溶解タンク３には、気液混合流体が供給される。

溶解タンク３の内部は、水の供給や高酸素濃度空気または低酸素濃度空気の供給などにともなって加圧状態となり、溶解タンク３の内部において高酸素濃度空気または低酸素濃度空気が水に加圧溶解し、空気溶解水が生成する。

給水手段４は、上記のとおりの溶解タンク３に連通している。給水手段４は、溶解タンク３に接続された給水路１０を備え、給水路１０の途中には、その上流側から下流側に向かって養液タンク１１、培地１２が設けられている。また、給水路１０は、培地１２から養液タンク１１に戻るように形成され、養液タンク１１−培地１２−養液タンク１１という循環路を形成してもいる。さらに、給水路１０には、養液タンク１１と培地１２の間にポンプ１３および開閉弁１４が設けられている。

給水手段４では、溶解タンク３が生成した空気溶解水を一旦養液タンク１１に溜め、所定量となった後、開閉弁１４を開放し、ポンプ１３の作動により空気溶解水を、給水路１０を通じて植物１５を栽培する培地１２に供給する。培地１２に供給された空気溶解水は、その一部が植物１５に吸収され、残りは養液タンク１１に回収される。

このような植物栽培装置１では、空気調節手段２の空気生成部２ａに、図２に示したような酸素富化ユニット１６を備えることができる。

酸素富化ユニット１６は、中空な矩形板状のフレーム１７と、フレーム１７の表裏面に取り付けられる薄い酸素富化膜１８とから形成される酸素富化モジュール１９を複数枚備えたものである。フレーム１７の表面部および裏面部には、内部の中空部に連通する孔２０が格子状に規則的に配列されて形成されている。また、フレーム１７の上端コーナー部には、内部の中空部に連通する、酸素分圧の高い高酸素濃度空気の流出口２１が設けられている。

このような酸素富化ユニット１６では、吸引によって酸素富化モジュール１９の表裏両側から内部に空気を流通させると、空気が酸素富化膜１８を透過する際に、酸素は、酸素富化膜１８を透過しやすいことから選択的に分離され、酸素濃度が約３０％程度に高められた高酸素濃度空気が生成する。高酸素濃度空気は、フレーム１７の内部の中空部を流れ、流出口２１から取り出される。流出口２１から取り出された高酸素濃度空気は、図１に示した第１の回収部２ｂに回収される。

高酸素濃度空気の生成の際には、酸素富化ユニット１６では、酸素富化膜１８による酸素の分離にともなって、酸素分圧が通常の空気よりも低い低酸素濃度空気が副産物として生成する。空気調節手段２では、このようにして生成する低酸素濃度空気を第２の回収部２ｃで回収することができる。

そして、空気調節手段２は、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気のいずれか一方を選択して溶解タンク３に供給し、溶解タンク３内にあらかじめ貯留させたり、溶解タンク３に水が供給される際に送り込んだりすることができる。

また、植物栽培装置１では、図３および図４に示したような中空な箱型の溶解タンク２２を備えることができる。

溶解タンク２２は水平に配置され、その底部２２ａには、流入口２３が溶解タンク２２の底面を上下に貫通して形成されている。流入口２３に対応して溶解タンク２２の底部２２ａには、図１に示したポンプ９が配設され、ポンプ９は、溶解タンク２２のほぼ直下に配置されている。ポンプ９と溶解タンク２２は、図１に示した給水路８の一部を構成する流入流路２４によって接続され、連通している。図１に示した空気調節手段２に接続された第１の空気供給路５ａは、上記のとおり、給水路８におけるポンプ９の吸込側、たとえば、ポンプ９の直前に位置し、ポンプ９に水２５が流れ込む部分に接続される。したがって、流入流路２４からは、溶解タンク２２内に、上記のとおりの高酸素濃度空気または低酸素濃度空気とともに、水２５が供給され、水２５は、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気が混入された気液混合流体となって流入口２３から溶解タンク２２内に上方に噴出する。ポンプ９は、このような水２５の噴出を可能とするように、水２５を所定の圧力に加圧する。上記のとおり、水源７が水道である場合には、ポンプ９は省略することもできる。

また、溶解タンク２２の底部２２ａには、流出口２６が、溶解タンク２２の底面を上下に貫通して形成されている。流出口２６に対応して溶解タンク２２の底部２２ａには、流出流路２７が接続され、流出流路２７は、図１に示した給水路１０の一部を構成し、溶解タンク２２を養液タンク１１に連通させている。

植物栽培装置１では、運転前に高酸素濃度空気または低酸素濃度空気を溶解タンク２２内に加圧状態で供給し、貯留させておくことができる。運転を開始すると、ポンプ９の作動によって、水２５が流入流路２４を通じて溶解タンク２２に供給される。水２５は、溶解タンク２２の上壁部２２ｂの内面に向かって流入口２３から噴出し、溶解タンク２２内に流入する。流入した水２５は、溶解タンク２２の上壁部２２ｂの内面に衝突し、跳ね返り、次第に溶解タンク２２の底部２２ａに溜まっていく。また、上壁部２２ｂの内面に衝突し、跳ね返る水２５は、溶解タンク２２内に貯留する水２５の水面に落下し、貯留する水２５を攪拌する。その結果、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気が水２５に溶解し、溶存酸素濃度が飽和濃度よりも高いまたは低い空気溶解水２８が生成される。空気溶解水２８は、溶解タンク２２内に貯留し、一部が流出口２６を通じて流出流路２７に流出し、溶解タンク２２の外部に取り出される。溶解タンク２２の外部に取り出された空気溶解水２８は、図１に示した給水路１０を流れ、植物１５の培地１２に供給される。給水路１０に設けられたポンプ１３および開閉弁１４の動作によって、給水路１０を流れる空気溶解水２８の流量を制御することができ、空気溶解水２８を植物１５に、必要なときに必要な量を定量で供給することができる。

また、溶解タンク２２には、気体循環経路２９が設けられている。気体循環経路２９は、取出口３０を一端に有し、他端に取込口３１を有している。取出口３０は、溶解タンク２２の上端部に接続されている。一方、取込口３１は、流入流路２４の流入口２３の付近に接続されている。取込口３１が接続されている流入流路２４の部分は、その断面積を最小断面積から下流側に向けて急拡大させた急拡大部３２とされている。急拡大部３２は、エジェクタによって形成することができる。

植物栽培装置１の運転中、気体循環経路２９の取出口３０付近と取込口３１付近には圧力差が生じる。取出口３０付近の圧力Ｐ_１は取込口３１付近の圧力Ｐ_０よりも大きい（Ｐ_１＞Ｐ_０）。このときの圧力差ΔＰ（＝Ｐ_１−Ｐ_０）にしたがって、溶解タンク２２内の上部などに貯留している未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３は吸引され、取出口３０から引き抜かれた後、取込口３１から送り出され、急拡大部３２において水２５に導入される。

したがって、溶解タンク２２は、内部に貯留している未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３を水２５の溶解タンク２２内への流入側、すなわち、急拡大部３２に循環させることができ、未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３を循環させながら水２５に溶解させることができる。上記圧力差ΔＰが大きいほど高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３の循環量が多くなり、気液接触面積の拡大にともない高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３の溶解効率が高くなる。また、水２５に導入される未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３は気泡として取り込まれるので、水２５との気液接触面積は大きくなる。このように、気体循環経路２９によって未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３を循環させながら水２５に溶解させるとともに、未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３を気泡として水２５に導入することができるので、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３の溶解効率が高くなる。

また、気体循環経路２９の取出口３０が溶解タンク２２の上端部に設けられているので、未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３がなくなるまで長時間の循環運転が可能である。しかも、未溶解の高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３を水２５に混合させる分、水２５の体積流量が増加し、流速が速くなり、気液の攪拌がさらに良好に行われることになる。

さらに、気体循環経路２９の取込口３１が溶解タンク２２の底部２２ａ側に設けられているので、溶解タンク２２内における水２５と高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３の接触距離が比較的長くなり、接触時間も長くなるため、溶解効率がさらに高くなる。

さらにまた、取込口３１が流入流路２４の急拡大部３２に接続されているので、急拡大部３２に発生する渦流によって高酸素濃度空気または低酸素濃度空気３３の吸引圧が高まり、循環量が増加する。しかも、急拡大部３２における圧力勾配が剪断力として働き、水２５に混入する気泡が微細化される。したがって、気液接触面積がさらに大きくなり、溶解効率がさらに高くなる。

なお、以上では、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気とともに水２５を溶解タンク２２に供給する場合を例示したが、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気は、上記のとおり、運転前に溶解タンク２２内に加圧状態で供給して貯留させることもできる。この場合には、溶解タンク２２には水２５のみを供給することもできる。一方、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気とともに、水２５を溶解タンク２２に供給する場合には、運転前の溶解タンク２２内には、高酸素濃度空気または低酸素濃度空気に替え、通常の空気を貯留させることもできる。

上記のとおりの植物栽培装置１では、空気調節手段２において、酸素分圧が空気よりも高い高酸素濃度空気と、酸素分圧が空気よりも低い低酸素濃度空気とを生成し、高酸素濃度空気と低酸素濃度空気を切り替えて溶解タンク３に供給することができる。発芽から生育までの生長過程では、酸素が多く必要とされることから、高酸素濃度空気を溶解タンク３に供給し、溶存酸素濃度が飽和濃度よりも高い空気溶解水を生成し、植物に供給することができる。また、結実過程では、品質のために酸素不足のストレスを与える際に、低酸素濃度空気を溶解タンク３に供給し、溶存酸素濃度が飽和濃度よりも低い空気溶解水を生成し、植物１５に供給することができる。水中の溶存酸素濃度は簡便に調節され、溶存酸素濃度の高低の切り替えを容易に行うことができる。育成に適した水を植物１５に供給することができる。

また、植物栽培装置１では、空気調節手段２に備えた酸素富化膜１８に空気を透過させることによって、高酸素濃度空気が生成し、そのときの副産物として低酸素濃度空気が生成する。このため、低酸素濃度空気の生成を簡便に行うことができ、水中の溶存酸素濃度の高低の切り替えをより一層容易に行うことができる。

実際に、酸素富化膜１８を備えた酸素富化ユニット１６において酸素濃度を３０％に高めた高酸素濃度空気を生成した。この高酸素濃度空気を溶解タンク３に供給し、溶解タンク３内で水中に加圧溶解させ、２５℃における溶存酸素濃度が１０mg/リットルである溶存酸素濃度の高い空気溶解水を生成することができた。なお、２５℃の水における飽和溶存酸素濃度は、８mg/リットルである。

また、酸素富化ユニット１６において副産物として得られる窒素濃度の高い、低酸素濃度空気を溶解タンク３に供給し、溶解タンク３内で水中に溶解させて、２５℃における溶存酸素濃度が４mg/リットルである溶存酸素濃度の低い空気溶解水を生成することができた。

これらの溶存酸素濃度の高いまたは低い空気溶解水は、切り替えて植物１５に供給することができた。

本発明は、以上の実施形態に限定されるものではない。空気調節手段、溶解タンクおよび給水手段の細部の構成および構造や、酸素富化ユニットの構成および構造などについては、様々な態様が可能である。

１植物栽培装置
２空気調節手段
３、２２溶解タンク
４給水手段
１８酸素富化膜
２５水
２８空気溶解水

Claims

酸素分圧を空気よりも高めた高酸素濃度空気と、酸素分圧を空気よりも低くした低酸素濃度空気とを生成し、高酸素濃度空気と低酸素濃度空気を切り替えて供給する空気調節手段と、
水が供給されるとともに、空気調節手段に連通し、空気調節手段から高酸素濃度空気または低酸素濃度空気が供給され、水中に高酸素濃度空気または低酸素濃度空気を溶解させ、空気溶解水を生成する溶解タンクと、
溶解タンクで生成した空気溶解水を植物に供給する給水手段と、
を備え、前記空気調節手段は、高酸素濃度空気および低酸素濃度空気を生成する空気生成部と、高酸素濃度空気を回収する第１の回収部と、低酸素濃度空気を回収する第２の回収部と、開閉弁とを備え、第１の回収部および第２の回収部のそれぞれが前記溶解タンクに連通し、第１の回収部の溶解タンクとの連通と、第２の回収部の溶解タンクとの連通が、前記開閉弁によって切り替え可能とされていることを特徴とする植物栽培装置。
空気調節手段は酸素富化膜を備え、空気調節手段は、空気を酸素富化膜に透過させることによって高酸素濃度空気を生成するとともに、副産物として低酸素濃度空気を生成することを特徴とする請求項１に記載の植物栽培装置。