JP6782874B2 - 水耕栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、水耕栽培装置に関する。

＜背景技術の説明＞
従来、植物特に野菜類を室内で土壌や太陽光線を利用せずに栽培する水耕栽培装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

＜特許文献１の説明＞
特許文献１には、水平に多段に設けた給水路において、培養液及び光源の重量が大きいことに基づき、栽培棚を積層する段数が制約される、もしくは、栽培用建物の強度を得るためにコスト高になるという問題が開示されている。その問題を解消することを目的として、栽培ボードと給水路の水面との間において根部に二酸化炭素を吸収させ、かつ水流によって根部を揺らすという方法により、給水路に逐次に給水して培養液の総量を減らし、以て給水路に満水状態と小水状態を持たせると共に、少ない光量で栽培できるようにして光源の重量を減らす、という技術が開示されている。

＜要望される技術＞
ところで、近年、水資源が希少な地帯、例えば海水の淡水化によって真水を得ているような乾燥地帯では、最大限に節水が可能な水耕栽培装置が要望されている。しかしながら、特許文献１に開示された技術は、給水路に定常的に培養液を供給するものであり、また給水路が多段に積層されたものであるため、生育段階における節水効果が十分にあるとはいえないという問題がある。さらに、植物の葉部と根部が同じ空間に存在することから、有害生物が葉部に繁殖し易く、収穫後においても洗浄するための水が必要となるという問題がある。

特開２０１５−２９４２３号公報

＜背景技術の課題＞
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生育段階における節水効果を十分に発揮することが可能であり、かつ、有害生物の存在が可能な限り抑制された状態で植物が成長できるようにして収穫後の洗浄を不要にすることを可能にする水耕栽培装置を提供することにある。

＜請求項１の内容＞
このような目的を達成するため、本発明は、以下の構成によって把握される。
（１）本発明に係る第１の観点は、水耕栽培装置であって、植物を栽培する栽培ユニットと、前記栽培ユニットを管理する管理ユニットと、を備え、前記栽培ユニットが、本体と、前記本体の前面で正の傾斜角を有する栽培パネルと、前記本体から落ちたものを回収する循環槽と、前記栽培パネルの背面にあって前記栽培パネルに植設された前記植物の根部に培養液を噴霧するスプレーノズルと、を備え、前記管理ユニットが、前記循環槽から前記スプレーノズルへ培養液を供給するスプレーポンプを備え、前記スプレーノズルが０．３ＭＰａ〜１ＭＰａの噴霧圧力を有し、前記培養液の水が０．１回／分〜１０回／分の回転率を有することを特徴とする。

＜請求項２の内容＞
（２）上記（１）の構成において、前記本体は、外部に対して実質的に密閉されていてもよい。

＜請求項３の内容＞
（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記栽培パネルは、前記栽培パネルに対して上向き５度〜４５度の角度の植物植え付け穴を有してもよい。

本発明によれば、生育段階における節水効果を十分に発揮することが可能であり、かつ、有害生物の存在が可能な限り抑制された状態で植物が成長できるようにして収穫後の洗浄を不要にすることを可能とした水耕栽培装置が提供される。

本発明の実施形態に係る水耕栽培装置の斜視図である。 本発明の実施形態に係る栽培ユニットの側面図である。 本発明の実施形態に係る管理ユニットの側面図である。 本発明の実施形態に係る管理ユニットの背面図である。 本発明の実施形態に係る栽培ユニットと管理ユニットの平面図である。 本発明の実施形態に係る水耕栽培装置の動作を示す図である。

＜実施形態の説明−１＞
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）について詳細に説明する。実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

＜実施形態の説明−２＞
（実施形態の構成）
まず、本実施形態に係る水耕栽培装置１の構成を図１〜図２Ｄに基づいて説明する。

＜水耕栽培装置１の全体構成＞
図１に本実施形態に係る水耕栽培装置１を示す。図１に示すように、水耕栽培装置１は、栽培ユニット１０と、管理ユニット２０と、を備えている。栽培ユニット１０は、対象となる植物を栽培するユニット、管理ユニット２０は、栽培ユニット１０を管理するユニットである。また、植物を照明する照明ユニット３０（図２Ａ参照）を備えている。以下、各別に説明する。

＜栽培ユニット１０＞
まず、栽培ユニット１０について、説明する。栽培ユニット１０は、対象となる植物を栽培するユニットである。図２Ａに示すように、栽培ユニット１０は、本体１１と、栽培パネル１２と、循環槽１３と、スプレーノズル１４と、を備える。

＜本体１１＞
本体１１は、栽培ユニット１０の各部を収容する箱体を構成しており、その底部には、移動の便宜のため、キャスター１１ａが取り付けられている。本体１１は、側面視において、正面（前面）側が正の傾斜角を有するように構成されており、その正面には、栽培パネル１２が同じく正の傾斜角を有するように配置されている。ここで、正の傾斜角とは、本体１１の底辺に対し反時計周りの鋭角（例えば、８５度。６０度〜９０度の範囲が好適である）を指しており、栽培パネル１２の下辺が本体１１の手前側に、その上辺が本体１１の奥側に位置していることを意味する。

＜本体１１−２＞
本体１１は、その正面が栽培パネル１２によって囲われており、それ以外の面が、本体１１を構成する壁面（図１及び図２Ａでは、壁面は、上面、両側面、底面及び背面から構成された例を示している）によって囲われている。それらにより、本体１１は、外部に対して実質的に密閉される。この密閉性により、植物の葉の部分と根の部分の環境を分離して、植物の育成にとっての有害生物、例えば嫌気性細菌などが本体１１の外部に漏れることがないようにすることができる。また、本体１１の内部において噴霧されてミスト化した培養液が漏れることによって栽培パネル１２の表面側の栽培空間が過湿状態になることを防止することができ、延いては、植物の葉部の気孔の開きが少なくなって植物の生育が遅くなり易くなるというようなことを避けることができる。なお、「実質的に密閉される」とは、前述したように、嫌気性細菌などが本体１１の外部に漏れることがないようにすることができる程度に密閉される、ということを意味する。

＜栽培パネル１２＞
栽培パネル１２は、その材質として特に限定されないが、ウレタン又は発泡スチロールなどが軽量で特に好ましく、栽培パネル１２の周囲にアルミなどから形成されるパネル枠を設けてもよい。栽培パネル１２は、植物の成長段階に応じて、植物を植設する穴の数が相対的に多い仮植用パネルと、相対的に少ない定植用パネルに取り替えられる。植物は、播種、育苗を経て、１〜２週間ほどの生育日数において優良株が選別され、仮植用パネルに移植される。この段階においては、特に、培養液と温度管理に注意し、最適な生育環境を維持するが、生育不良や異常が発見された苗は、間引きされる。そして、植物は、隣り合う株の葉が互いに接触する程度に成長すると、収穫に向けて成長させるべく、植設の間隔がさらに広い定植用パネルに、茎部や葉柄が折れたようなものを除いて移植される。

＜栽培パネル１２−２＞
栽培パネル１２は、前述のとおり、側面視において、正の傾斜角を有するように配置されており、植物を植設する穴が斜め上方を向いている。このようにすることにより、前述した本体１１の密閉性と相まって、栽培パネル１２の内部に存在する有害生物、例えば嫌気性細菌などが本体１１の外部に漏れることのないようにすることができる。さらに、有害生物が本体１１の外部に漏れることがないようにするため、栽培パネル１２は、前記栽培パネルに対して上向きに５度〜４５度の角度の植物植え付け穴を有することが好ましい。

＜栽培パネル１２の本体１１への取付け＞
本体１１は、その上部（本体１１の上端）及び下部（本体１１と循環槽１３との境界）に、栽培パネル１２を係止する上ガイド部材１１１と下ガイド部材１１２を有している。栽培パネル１２は、その上端部が上ガイド部材１１１によって形成される上溝１１１ａに、下端部が下ガイド部材１１２によって形成される下溝１１２ａに、横方向から挿入されて支持されるようになっている。

＜循環槽１３＞
循環槽１３は、本体１１の下部に設けられており、植物に供給するための水又は水に肥料等を混合させた培養液を貯留している。循環槽１３は、スプレーノズル１４によって植物の根部に噴霧された培養液のうち、植物の根部から吸収されたもの、蒸発や蒸散によって失われたものを除き、スプレーノズル１４から噴霧された後に下に落ちたものを回収するものである。回収された培養液は、後述するスプレーポンプ２２１によってスプレーノズル１４へあらためて圧送される。そして、徐々に量が減少していく水を外部から補給するため、循環槽１３へは、ここでは図示していないが、後述するように、市水供給管２２５が開口している。培養液の水は、０．１回／分〜１０回／分の回転率とすることが好ましい。このようにして、水の消費量を抑制することができ、かつ、回収した培養液を効率よく回転させることができる。なお、循環槽１３の貯水量は、例えば、水耕栽培装置１を実験プラント程度の規模とすると、３０Ｌ〜１００Ｌとすることができる。

＜スプレーノズル１４＞
スプレーノズル１４は、栽培パネル１２の背面側にあって、スプレーポンプ２２１から延在する支柱１４１に設けられている。循環槽１３に貯留された培養液は、スプレーポンプ２２１によって圧送され、スプレーノズル１４から栽培パネル１２に植設された植物の根部に噴霧される。図２Ａでは、上下方向に３段のスプレーノズル１４を設けた例を示しているが、スプレーノズル１４の数は、栽培パネル１２の大きさ、延いては植設する植物の数によって、２段以下であっても４段以上であってもよい。また、スプレーノズル１４の支柱１４１は、固定式のものであっても、伸縮式のものであってもよい。また、支柱１４１を固定式とした場合、支柱１４１をレール状に構成し、スプレーノズル１４が支柱１４１を上下に移動できるようにしてもよい。スプレーノズル１４の噴射角度は３０度〜１８０度、噴霧圧力は０．３ＭＰａ〜１ＭＰａとすることが好ましい。噴霧圧力は、植物の根に有害生物が付着することを防止することができるように、また有害生物の卵を死滅させることができるように、設定される。

＜管理ユニット２０＞
次に、管理ユニット２０について説明する。管理ユニット２０は、栽培ユニット１０を管理するユニットである。図２Ｂ及び図２Ｃは、管理ユニット２０の側面図及び背面図をそれぞれ示しており、管理ユニット２０は、本体２１と、本体２１に設けられた、下から順に、水供給部２２と、肥料供給部２３と、計器部２４と、制御盤２５とを備えている。

＜本体２１＞
本体２１は、管理ユニット２０の各部を収容する箱体を構成しており、その底部には、移動の便宜のため、キャスター２１ａが取り付けられている。本体２１は、側面視及び背面視において概ね矩形をなしており、正面側は、栽培ユニット１０の本体１１の背面に対向するように配置される。水供給部２２、肥料供給部２３、計器部２４及び制御盤２５は、本体２１の背面側から操作される。

＜水供給部２２＞
水供給部２２は、スプレーポンプ２２１と、循環水吸入管２２２と、循環水供給管２２３と、循環水供給管２２３の途中に設けられた濾過器２２４と、市水供給管２２５と、市水供給管２２５を開閉する電動弁２２６とを備えている。

＜スプレーポンプ２２１、循環水吸入管２２２＞
スプレーポンプ２２１は、オン・オフの切り替えが可能なオン・オフ式であり、栽培ユニット１０の循環槽１３に貯留されている培養液を、吸入管２２２を経由して吸い込み、循環水供給管２２３を経由して、スプレーノズル１４へ圧送する。スプレーポンプ２２１の送液スピードは、スプレーノズル１４の噴霧圧力を確保するため、例えば１０Ｌ／分〜１００Ｌ／分とすることができる。スプレーポンプ２２１は、１つでもよいが、水耕栽培装置１の規模に応じた能力を確保するため、直列的に配置された第１スプレーポンプと第２スプレーポンプのように、２つ以上のスプレーポンプを設けるようにしてもよい。

＜循環水供給管２２３、濾過器２２４＞
濾過器２２４は、循環水供給管２２３の中間に配置されており、循環槽１３に貯留されている培養液を濾過する。濾過器２２４は、循環させる培養液中に溜まってくる有機物等の不純物を取り除くためのものであり、比較的大きな不純物が混ざっていても、濾過能力に優れ、耐久性が高く故障の少ないディスクフィルタが好適に用いられる。なお、ディスクフィルタは、溝のあるディスクを積層したもので、水流の勢いを弱めることなく、不純物をディスクの溝によって濾過することができる。

＜市水供給管２２５、電動弁２２６＞
本実施形態に係る水耕栽培装置１は、節水効果の高い水耕栽培を実現するものである。従って、水耕栽培装置１には、稼動開始時の初期水量を確保し、また、稼働中に徐々に減少していく水を補給するため、市水供給管２２５と、市水供給管２２５を開閉する電動弁２２６とが設けられていて、それにより、装置の外部から、必要最小限の水を補給できるようになっている。ここでは図示していないが、市水供給管２２５は、栽培ユニット１０の循環槽１３内に向かって開口している。

＜肥料供給部２３＞
肥料供給部２３は、水に肥料等を供給するために設けられており、ここでは、肥料Ａ及び肥料Ｂの２種類の肥料に加えて、酸、アルカリ及び還元剤を供給できる例を示している。すなわち、肥料Ａ、肥料Ｂ、酸、アルカリ及び還元剤のそれぞれについて肥料等注入ポンプ２３１が設けられており、各ポンプの下には、それぞれの溶液が入った肥料等タンク２３２が設けられている。肥料等注入ポンプ２３１によって肥料等タンク２３２から汲み上げられた各溶液は、それぞれの配管（不図示）によって、循環槽１３へ供給される。

＜計器部２４＞
計器部２４は、ＥＣ／ＰＨ計２４１（導電率／水素イオン指数）と、ＯＲＰ計２４２（酸化還元電位）とを備える。ＥＣ／ＰＨ計２４１の測定結果に応じて、肥料供給部２３における肥料Ａ、肥料Ｂ、酸及びアルカリが供給され、ＯＲＰ計（酸化還元電位）２４２の測定結果に応じて、肥料供給部２３における還元剤が供給される。

＜制御盤２５＞
本体２１の最上段には、管理ユニット２０を制御する制御盤２５が設けられている。制御盤２５には、スプレーポンプ２２１、濾過器２２４、電動弁２２６、肥料等注入ポンプ２３１などを必要に応じて動作又は停止させる制御部が装備されている。

＜栽培ユニット１０と管理ユニット２０との配置＞
管理ユニット２０は、水耕栽培装置１の稼動時においては、図１に示すように、栽培ユニット１０の背面側に接続して配置される。図２Ｄは両者が接続された状態を上方からみた平面図である。管理ユニット２０の循環水吸入管２２２及び循環水供給管２２３が、栽培ユニット１０の循環槽１３、支柱１４１に、それぞれ接続されている。

＜照明ユニット３０＞
図２Ａに戻り、栽培ユニット１０の正面側には、植物に光を照射する照明ユニット３０が設けられている。照明ユニット３０は、フレーム３１と、フレーム３１に水平方向に架設された光源３２とを備える。光源３２としては、その種類は特に限定されないが、蛍光灯やＬＥＤなどを好適に用いることができる。また、植物の成長段階によっては、黄色い光を発する高圧ナトリウムランプを併用してもよい。なお、植物に与える光は、必ずしも人工光源のみに限定しなくてもよく、植物に自然光（太陽光）を当てるように構成してもよい。

＜水耕栽培装置１の動作＞
図３に、本実施形態に係る水耕栽培装置１の動作を説明する。図３は、主に、水又は培養液の流れを中心に、水耕栽培装置１の動作を模式的に示した図である。稼動開始時に、水は、市水供給管２２５から電動弁２２６を開放して循環槽１３に供給される。循環槽１３には、ＥＣセンサ１３１、ＰＨセンサ１３２、ＯＲＰセンサ１３３が設けられており、計測値は、ＥＣ／ＰＨ計２４１、ＯＲＰ計２４２に表示される。その計測値に基づいて、肥料等注入ポンプ２３１を動作させ、肥料等タンク２３２から必要な量の肥料等を、肥料等供給管１３４を経由して、循環槽１３に供給する。スプレーポンプ２２１は、循環水吸入管２２２から培養液を汲み上げ、循環水供給管２２３及び支柱１４１を経由して、スプレーノズル１４へ圧送する。循環水供給管２２３の経路において濾過器２２４（ディスクフィルタ）を通る際に不純物が除去される。スプレーノズル１４から噴霧された培養液は、植物の根部に噴霧され、根部に吸収又は蒸発散されなかった残余の培養液は、循環槽１３に回収される。

＜水耕栽培装置１の諸元＞
図１から図３を参照しつつ説明した上記の実施形態は、実験プラントの一例を示すものであり、大量に植物を生産する際には、本発明の要旨の範囲内で、種々の諸元を以て水耕栽培装置１を設定することが可能である。したがって、上述した水耕栽培装置１の各構成要素の諸元は、実験プラント、生産プラントなどの使用目的、植物の所要生産量などを勘案して、適宜設定できるものとして理解されるべきである。

＜実施形態の効果＞
以上、実施形態とともに具体的に説明したように、本実施形態の水耕栽培装置１は、栽培パネル１２を傾斜して設け、栽培パネル１２に植設された植物の根部に培養液を噴霧するようにしたので、回収した培養液を効率よく回転させるようにすることが可能になると共に、水の消費量を抑制することが可能になる。従って、乾燥地帯のような地域において節水効果を十分に発揮できる水耕栽培装置１が提供される。また、収穫後に洗浄しなくても済むように有害生物の存在が可能な限り抑制された状態で植物が成長できるようにして収穫後の洗浄を不要にすることを可能とした水耕栽培装置１を提供することができる。

＜結語＞
以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に記載の範囲には限定されないことは勿論である。上記の実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能であることは当業者にとって明らかである。また、そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは特許請求の範囲の記載から明らかである。

例えば、上記の実施形態では、栽培パネル１２を１枚設けるようにしているが、横に複数の栽培パネル１２を併設するようにしてもよい。その場合は、隣接する栽培パネル１２同士が側端にて相互に重なり合うように構成した接合部を有するようにすることが好ましい。そのような構成とすることにより、隣接する栽培パネル１２同士の隙間から噴霧されてミスト化した培養液が漏れてパネルの表面側の栽培空間が過湿状態になって、植物の葉部の気孔の開きが少なくなり、植物の生育が遅くなり易くなる、というような事態を回避することができる。

また、上記の実施形態では、１つの栽培ユニット１０の背面側に１つの管理ユニット２０を配置するようにしているが、１つの管理ユニット２０で複数の栽培ユニット１０を管理できるようにしてもよい。例えば、１つの管理ユニット２０を中心として、その両側に２つの管理ユニット２０を設けるようにしてもよい。

１…水耕栽培装置
１０…栽培ユニット
１１…本体
１２…栽培パネル
１３…循環槽
１３１…ＥＣセンサ
１３２…ＰＨセンサ
１３３…ＯＲＰセンサ
１３４…肥料等供給管
１４…スプレーノズル
１４１…支柱
２０…管理ユニット
２１…本体
２２…水供給部
２２１…スプレーポンプ
２２２…循環水吸入管
２２３…循環水供給管
２２４…濾過器
２２５…市水供給管
２２６…電動弁
２３…肥料等供給部
２３１…肥料等注入ポンプ
２３２…肥料等タンク
２４…計器部
２４１…ＥＣ／ＰＨ計
２４２…ＯＲＰ計
２５…制御盤

Claims (3)

1. 水耕栽培装置であって、
   植物を栽培する栽培ユニットと、
   前記栽培ユニットを管理する管理ユニットと
   を備えており、
   前記栽培ユニットが、
   本体と、
   前記本体の前面で下辺が手前側に位置し上辺が奥側に位置する傾斜角を有する栽培パネルと、
   前記本体から落ちたものを回収する循環槽と、
   前記栽培パネルの背面に配置され、前記栽培パネルに植設された前記植物の根部に培養液を噴霧するスプレーノズルと
   を備えており、
   前記管理ユニットが、前記循環槽から前記スプレーノズルへ培養液を供給するスプレーポンプを備え、
   前記スプレーノズルが、０．３ＭＰａ〜１ＭＰａの噴霧圧力を有しており、
   前記培養液の水が、前記循環槽から汲み上げられて前記循環槽に回収される効率が０．１回／分〜１０回／分の回転率を有する
   水耕栽培装置。
2. 前記本体が、外部に対して実質的に密閉されている
   請求項１に記載の水耕栽培装置。
3. 前記栽培パネルが、前記栽培パネルに対して上向きに５度〜４５度の角度の植物植え付け穴を有する
   請求項１又は２に記載の水耕栽培装置。
   

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