JP6390923B2 - 植物成長促進装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、水耕栽培で植物の根に電界を与えて成長促進を行う物成長促進装置及び方法に関するものである。

水耕栽培による植物育成は、昨今の食糧問題解決のため、重要な技術となっている。水耕栽培による植物育成は、工場等の管理された空間で制御可能であるが、普及のためには、育成期間の短縮や運転ランニングコストの低減による、植物を育成するコストの低減が必須となる。

育成期間短縮のために、水耕栽培で用いている培養液を介して、植物の根に電界を与えることにより、成長を促進する装置が知られている（例えば、非特許文献１参照）。図６は、従来の植物成長促進装置の構成を示す図である。図６において、植物５０が配置されているパネル５１を、培養液５２の入った栽培容器５３に入れ、電源５４と一対の電極５５とを接続して電圧を印加し、培養液５２を介して植物５０の根に電界を与えている。

山田、「植物工場への応用を目指したパルス電界によるレタスの育成制御」、電気学会基礎・材料・共通部門大会、平成２７年９月、ｐ．３２５

しかしながら、図６に示す植物成長促進装置では、培養液中の電界印加エリアには根が不均一に存在しているが、根が存在しない部分に対しても電界を印加しており、エネルギーの無駄が生じている。エネルギーの無駄はランニングコスト増加にも直結しており、効率的な電界印加による省エネ化が大きな課題となる。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、省エネルギーで成長促進を行うことができ、ランニングコストの低減が可能な植物成長促進装置及び方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる植物成長促進装置によれば、植物を栽培する培養液を入れる容器と、
前記容器内に複数に分割されて対向配置された電極と、
前記電極に電圧を印加する電源と、
前記電極間の電流値を計測する電流計測装置とを備え、
前記複数に分割され対向配置された前記電極の一部に電圧を印加し、前記電圧を印加された前記電極間の電流値により、前記植物の根の有無を判定し、前記植物の前記根が存在する場合に成長促進用の電圧を印加する電圧印加制御部をさらに備える。

前記目的を達成するために、本発明の別の態様にかかる植物成長促進方法によれば、植物の根に対して電界を印加する植物成長促進方法において、
前記植物を栽培する培養液を入れる容器内で複数に分割されて対向配置された電極の一部に電圧を印加し、
前記電圧を印加された前記電極間の電流値により、前記植物の前記根の有無を判定し、
前記植物の前記根が存在する場合に、成長促進用の電圧を印加するステップを、それぞれの電極に対して順次接続を切替えて実施する。

本発明の前記態様にかかる植物成長促進装置及び方法によれば、省エネルギーで成長促進を行うことができ、ランニングコストの低減が可能である。また電極を分割し切替えて電圧を印加できるため、１対の電極に流れる電流を少なくすることができる。このことにより、電源の小型化が可能であり、設備コストの低減が可能である。

本発明の実施の形態における植物成長促進装置の構成図 本発明の実施の形態における植物成長促進装置の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態における植物成長促進装置の均一に電極を分割した場合の電極構成図 本発明の実施の形態における植物成長促進装置の不均一に電極を分割した場合の電極構成図 本発明の実施の形態における植物成長促進装置で根の状態を電流計測したときの電流波形の事例を示す図 従来の植物成長促進装置の構成を示す図

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる植物成長促進装置の構成図で、以下に、植物成長促進装置の構成を説明する。

植物成長促進装置は、容器１０３と、電極１０５と、電源１０４と、電流計測装置１０８と、電圧印加制御部１０９とを備えている。

容器１０３は、植物１０１を栽培する培養液１０２を入れる。

電極１０５は、容器１０３内に複数に分割され対向配置されている。

電源１０４は、電極１０５に電圧を印加する。

電流計測装置１０８は、電極１０５間の電流値を計測する。

電圧印加制御部１０９は、複数に分割され対向配置された電極１０５の一部に電圧を印加し、電圧を印加された電極１０５間の電流値により、植物１０１の根１０１ａの有無を判定し、植物１０１の根１０１ａが存在する場合に成長促進用の電圧を印加する。

図１において、植物１０１の根１０１ａは、培養液１０２が入っている容器１０３内に存在しており、電源１０４により、培養液１０２内にある電極１０５を介して植物成長促進に必要な電界を印加することができる。電極１０５は複数組、互いに対向して配置されており、絶縁体１０６により分割されている。このとき、電極１０５は、対向する電極１０５との間で形成される電界印加エリア１１０に対して有効に電界を印加するために、電極１０５の電極横幅Ｌ１と電極高さＬ２の短い方、即ち、電極１０５の短辺の長さに対し、対向する電極１０５との電極間距離Ｌ３を０ｃｍより長く、かつ、５倍以下として配置されている。電極１０５の短辺の長さに比べて、電極間距離Ｌ３が極めて小さい場合は、電極間の電界が一様とみなせる。しかしながら、電極１０５の短辺の長さに比べて、電極間距離Ｌ３が大きくなり過ぎると、電界は一様ではなくなる。一般に、静電場は、ポアソン方程式を用いることにより電界強度の分布を求めることが可能であり、一様な電界を印加できる好ましい条件として、電極１０５の短辺の長さに対し、対向する電極１０５との電極間距離Ｌ３を０ｃｍより長く、かつ、５倍以下として配置する。また、電極切替手段１０７により、分割された電極１０５と電源１０４との間の複数の電路の開閉がそれぞれ可能であり、電極切替手段１０７の操作により、対向する１対の電極１０５と電源１０４が接続されている１対の電極切替手段１０７のみ電路を閉じ、他の電極切替手段１０７を開放することで、１対の電極１０５の間で形成される電界印加エリアのみに電界を印加することができる。この電極切替手段１０７を切替えることにより、電界印加エリアの切替えが可能となる。また、電流計測装置１０８により、電極１０５間の電界印加エリアを流れる電流値の計測が可能で、電流値の計測により電界印加エリアに植物１０１の根１０１ａがあるかどうかを判別して、根１０１ａが無い場合は電源１０４による電圧印加を行わない制御が可能である。この制御は、電源１０４と電流計測装置１０８とに接続されている電圧印加制御部１０９により行う。なお、図１では、電極切替手段１０７の制御も、電圧印加制御部１０９により行っている。

次に、図１の植物成長促進装置の動作について、図２のフローチャートに則って説明する。図２では、電極１０５間に植物１０１の根１０１ａの有無を検出し、根１０１ａを検出した電極１０５に対して電圧を印加する動作の説明を行う。

まず、ステップＳ１０１では、電圧印加制御部１０９を用いて電極切替手段１０７を制御し、複数に分割され対向配置された電極１０５の一部、例えば、一対の電極１０５と電源１０４とを接続する。

次いで、ステップＳ１０２では、電源１０４を制御し、根有無検出用の電圧波形を印加する。

次いで、ステップＳ１０３では、電流計測装置１０８により、電極１０５間の電流を計測する。

次いで、ステップＳ１０４では、電流計測装置１０８の電流値により、電圧印加制御部１０９にて電圧を印加している電極１０５間での植物１０１の根１０１ａの有無を判定する。根があると判定する場合は、ステップＳ１０５で、電源１０４により植物成長促進用の電圧を印加する。判定に使用する電流値については、図５で詳述する。その後、ステップＳ１０６に進む。根が無いと判定する場合は、ステップＳ１０５を行わず、ステップＳ１０６にて電圧印加を終了する。

次に、ステップＳ１０７で、電圧印加制御部１０９により、まだ電圧を印加していない電極１０５の対を選択する。

ステップＳ１０８では、電圧印加制御部１０９にて全電極１０５が終了したかどうかを判定する。終了していない場合は、ステップＳ１０１に戻り、全電極１０５が終了するまで、順次接続を切替えて電圧を印加する。

このとき、ステップＳ１０１での一対の電極１０５と電源１０４との接続は、根１０１ａの検出を誤判定しないほど距離が離れた電極対であれば、二対以上の電極１０５と電源１０４とを同時に接続しても良い。

また、ステップＳ１０２での根有無検出用の電圧波形は、直流定電圧であっても良いし、パルス波形であっても良い。

さらに、ステップＳ１０５での電圧波形も、直流定電圧であっても良いし、パルス波形であっても良い。

また、ステップＳ１０２もしくはステップＳ１０５での電圧印加は、培養液１０２の電気分解を起こさない波形であれば、培養液１０２の組成を変えることがないので、好ましい。具体的には、水の電気分解の理論限界電圧である１．２３Ｖが実質かからない電圧、または短パルス波形であれば、水の電気分解は発生しないので、培養液１０２の組成を変えることがないと考えられる。

次に、図１の植物成長促進装置において、均一に電極１０５を分割した場合の電極構成図を図３に示す。

植物１０１の根１０１ａが事前にあることが想定できない場合又は分割された各電極１０５における根１０１ａの存在確率が不明な場合は、電極１０５を均一に分割すると良い。ここでは、一例として、４列５行に電極１０５を均一に分割している。

次に、図１の植物成長促進装置において、不均一に電極１０５を分割した場合の電極構成図を図４に示す。

植物１０１の根１０１ａが事前にあることが想定できる場合又は分割された各電極１０５における根１０１ａの存在確率に偏りが想定される場合は、電極１０５を不均一に分割すると良い。例えば、電界印加初日に植物１０１の根１０１ａが存在する確率が高いと想定される場合は、第一の電極１０５ａのように、根１０１ａが存在するエリアの大きさになるように分割する。また、植物１０１の成長過程により、根１０１ａの存在確率が高くなると想定されるエリアは、第二の電極１０５ｂのように小さく分割する。反対に、植物１０１が成長したとしても、根１０１ａの存在確率が低いと想定されるエリアは、第三の電極１０５ｃのように大きく分割する。即ち、根１０１ａの存在確率が大きいエリアと小さいエリアとで、不均一に電極１０５を分割すると（電極の大きさを異ならせると）、効率良く植物成長促進装置を動作させることができる。

次に、図５に本発明の実施の形態における植物成長促進装置で、電圧波形１１１を電極１０５に印加し、電界印加エリア１１０に根１０１ａが存在しない状態の電流波形１１２と、根１０１ａが存在する状態の電流波形１１２との事例を示す。図５の（ａ）では、根１０１ａが存在しない状態の電流波形１１２である。図５の（ｂ）では、根１０１ａが存在する状態の電流波形１１２である。根１０１ａが存在しない状態の電流波形１１２と根１０１ａが存在する状態の電流波形１１２とを比較すると、根１０１ａが存在する電流波形１１２の方が電流値が低下し、根１０１ａの有無を検出できていることがわかる。

以上で説明した装置により、根１０１ａの存在するエリアにのみ電界を印加することが可能で、省エネルギーで成長促進を行うことができ、ランニングコストの低減が可能である。

前記実施形態によれば、複数対に分割された電極１０５を切替えながら、根１０１ａの有無を検出するための電圧を印加し、電極１０５間の電流値を計測することにより、根１０１ａが存在する電極１０５間のみ植物成長促進用の電圧を印加することができる。よって、省エネルギーで成長促進を行うことができ、ランニングコストの低減が可能である。また電極１０５を分割し、切替えて電圧を印加できるため、１対の電極１０５に流れる電流を少なくすることができる。このことにより、電源１０４の小型化が可能であり、設備コストの低減が可能である。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の植物成長促進装置及び植物成長促進方法によれば、電極を分割し切替えて電圧を印加できるため、１対の電極に流れる電流を少なくすることができる。従って、電源の小型化が可能であり、設備コストの低減が可能となる。電流も少なく出来るので安全対策も容易となり、水耕栽培への電圧印加による成長促進技術の導入が加速される。このことにより、水耕栽培での育成期間が短縮でき、植物育成コストが提言され、全世界の食料問題解決に寄与することができる。

１０１ 植物
１０１ａ 根
１０２ 培養液
１０３ 容器
１０４ 電源
１０５ 電極
１０５ａ 第一の電極
１０５ｂ 第二の電極
１０５ｃ 第三の電極
１０６ 絶縁体
１０７ 電極切替手段
１０８ 電流計測装置
１０９ 電圧印加制御部
１１０ 電界印加エリア
Ｌ１ 電極横幅
Ｌ２ 電極高さ
Ｌ３ 電極間距離
１１１ 電圧波形
１１２ 電流波形

Claims (3)

1. 植物を栽培する培養液を入れる容器と、
   前記容器内に複数に分割されて対向配置された電極と、
   前記電極に電圧を印加する電源と、
   前記電極間の電流値を計測する電流計測装置とを備え、
   前記複数に分割され対向配置された前記電極の一部に電圧を印加し、前記電圧を印加された前記電極間の電流値により、前記植物の根の有無を判定し、前記植物の前記根が存在する場合に成長促進用の電圧を印加する電圧印加制御部をさらに備える、植物成長促進装置。
2. 前記複数に分割された前記電極は、０ｃｍより長く、かつ、電極短辺の５倍以下の距離を隔てて対向配置されている、請求項１に記載の植物成長促進装置。
3. 植物の根に対して電界を印加する植物成長促進方法において、
   前記植物を栽培する培養液を入れる容器内で複数に分割されて対向配置された電極の一部に電圧を印加し、
   前記電圧を印加された前記電極間の電流値により、前記植物の前記根の有無を判定し、
   前記植物の前記根が存在する場合に、成長促進用の電圧を印加するステップを、それぞれの電極に対して順次接続を切替えて実施する植物成長促進方法。

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