JP7067701B2 - 超音波霧化栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波振動子を用いて霧化した養液を施用して植物を栽培する超音波霧化栽培装置に関する。

従来、例えば特許文献１に示されるように、超音波振動子を用いて霧化した養液を施用して植物を栽培する超音波霧化栽培装置が提案されている。

特許文献１に示される超音波霧化栽培装置は、超音波霧化器で発生した養液の霧をファンを用いて栽培管に送出し、栽培管の内部に伸びる植物の根部に養液を施用して植物を栽培させる。

しかしながら、特許文献１に示されるように長さのある栽培管の内部に一方から霧を供給した場合、霧を供給する供給口に近いほど霧の濃度が高くなり、また、霧の移動が植物の生育に伴って伸びる根に阻まれることから、栽培管の内部における霧の濃度分布を均一に保つことが困難という課題が存在していた。

かかる課題を解決する方法として、栽培管の内部に霧を供給するにあたって栽培管の一方から霧を供給するのではなく、植物の根部に近い位置に噴き出し穴を有するパイプを栽培管の内部に設け、そのパイプに霧を供給する方法が挙げられる。

例えば、特許文献２には、養液をミスト状に噴霧するノズルを有する養液供給管を栽培管の内部に備えた植物栽培装置が開示されている。

しかしながら、特許文献２の植物栽培装置のようにポンプによって加圧した養液をノズルから噴霧する場合と異なり、超音波霧化器で発生した霧をファンで送出して供給する超音波霧化栽培装置の場合は、噴き出し穴から噴き出す霧に対して大きな圧力を加えることが難しい。

そのため、特許文献１に示されるような栽培管を備える超音波霧化栽培装置に上述のパイプを適用した場合、復水して水滴になった霧によって噴き出し穴が目詰まりしてしまう。

噴き出し穴の目詰まりは、超音波霧化栽培装置で複数の植物を同時に栽培する場合に生育のばらつきを引き起こすため、霧の噴き出し穴の目詰まりを防ぐことができる超音波霧化栽培装置が求められていた。

特開２０１２－０３４５８１号公報 再表２０１５／１７４４９３号公報

本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものである。即ち、本発明は、霧化した養液を植物の根部に供給する噴き出し穴を有する霧供給管を栽培管の内部に備える超音波霧化栽培装置において、復水して水滴になった霧によって噴き出し穴が目詰まりすることを防ぐ超音波霧化栽培装置を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明に係る超音波霧化栽培装置は、植物の苗を保持するパネルで上面が構成され、植物の根部が内部に下垂する中空の栽培管と、栽培管の内部に下垂する根部に対応する噴き出し穴が側面に設けられ、栽培管の内部に設けられる霧供給管と、養液を貯留する霧化液槽と、養液を超音波振動で霧化する超音波振動子と、超音波振動子を振動させる発振器とを有し、霧化した養液を霧供給管に供給する超音波霧化器とを備え、霧化された養液を栽培管の内部へ噴き出す噴き出し穴が皿座ぐり状に形成されていることを特徴とする。

噴き出し穴は、６０度以上１２０度以下の範囲の座ぐり角度で皿座ぐり状に形成されても良い。

噴き出し穴は、垂直上方向から水平方向へ４５度以上の位置に設けられても良い。

栽培管と超音波霧化器とを連通させ、噴き出し穴から栽培管の内部に供給された霧を超音波霧化器に循環させる霧循環ダクトをさらに備えても良い。

栽培管と霧供給管との組み合わせからなる栽培ユニットを複数備えても良い。

霧化した養液の供給を制御するバルブを栽培ユニット毎にさらに備えても良い。

複数の栽培ユニットは階段状に設けられても良い。

本発明によれば、霧化した養液を植物の根部に供給する噴き出し穴を有する霧供給管を栽培管の内部に備える超音波霧化栽培装置において、復水して水滴になった霧によって噴き出し穴が目詰まりすることを防ぐ超音波霧化栽培装置を提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波霧化栽培装置を示した全体図である。 図２は、本発明の実施形態に係る栽培管及び霧供給管を示した断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係る栽培管及び霧供給管を示した断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係る栽培管を示した平面図である。 図５は、本発明の実施形態に係る栽培管及び霧供給管を示した平面図である。 図６は、本発明の実施形態に係る超音波霧化器を示した断面図である。 図７は、従来の実施形態に係る霧供給管を示した断面図である。 図８は、本発明の実施形態に係る霧供給管を示した断面図である。 図９は、植物の根部の生長の特性を示した図である。 図１０は、本発明の実施形態に係る栽培管及び霧供給管を示した断面図である。 図１１は、本発明の実施形態に係る超音波霧化栽培装置の変形例を示した概略平面図である。

以下、本発明に係る超音波霧化栽培装置の実施形態を詳細に説明する。なお、全ての図を通して、同一の参照符号は、同一の物又は同等の物を示すものとする。

図１は、本発明の実施形態に係る超音波霧化栽培装置１００を示した全体図である。図１に示されるように、超音波霧化栽培装置１００は、栽培管１０１と、超音波霧化器１０２と、ファン１０３と、霧供給ダクト１０４と、霧循環ダクト１０５とを備えている。植物１０６は、栽培管１０１の上面を構成するパネル（パネル１２１）に定植されている。

まず、栽培管１０１の構成について、図２を参照しながら説明する。

図２は、栽培管１０１及び霧供給管１２０を示した断面図である。図２に示されるように、栽培管１０１は筒状の部材であり、内部に霧供給管１２０を備えている。栽培管１０１の上面は取り外し可能なパネル１２１で構成されており、パネル１２１には、植物１０６の苗を保持する培地１２２をはめ込むための培地穴１２３が形成されている。栽培管１０１及びパネル１２１の素材については特に限定されず、プラスチックなど種々の素材から任意に選択して良い。なお、パネル１２１は必ずしも取り外し可能である必要はなく、メンテナンス性が求められない場合などは、栽培管１０１とパネル１２１とが一体に構成されていても良い。

次に、栽培管１０１の内部に備えられている霧供給管１２０について、同じく図２を参照しながら説明する。

図２に示されるように、霧供給管１２０は、栽培管１０１の内部に設けられる円筒状の部材であり、霧供給管１２０の側面には、霧供給管１２０の内部に導入された養液２０８の霧１２６（霧化された養液２０８）を噴き出すための噴き出し穴１２４が、パネル１２１に定植される植物１０６の個数に応じて植物１０６の根部１２５の近傍に形成されている。霧供給管１２０の素材については特に限定されず、プラスチックなど種々の素材から任意に選択して良い。例えば、霧供給管１２０として汎用の塩化ビニルパイプを用いることができる。

次に、霧供給管１２０と霧供給ダクト１０４との連通部について、図３を参照しながら説明する。

図３は、栽培管１０１及び霧供給管１２０を示した長手方向の断面図である。図３に示されるように、霧供給管１２０は、その一端に霧導入口１４１を備えている。霧導入口１４１には霧供給ダクト１０４が連結され、超音波霧化器１０２で発生した養液２０８の霧１２６が、霧供給ダクト１０４を経て霧供給管１２０の内部に導入される。なお、霧供給管１２０は、霧導入口１４１とは反対側の閉止している他端が、栽培管１０１の内部端面（図３では向かって右側の内部端面）に形成された溝部１４２にはめ込まれているが、霧供給管１２０を栽培管１０１の内部に固定する方法はこれに限られず、霧供給管１２０の他端が栽培管１０１の端面から飛び出すようにして固定されていても良い。

次に、栽培管１０１と霧循環ダクト１０５との連通部について、同じく図３を参照しながら説明する。

図３に示されるように、栽培管１０１は、一方の端面に霧循環口１４０を備えている。霧循環口１４０には霧循環ダクト１０５が連結され、栽培管１０１の内部に供給されて植物１０６の根部１２５に施用された霧１２６を、霧循環ダクト１０５を経て超音波霧化器１０２に循環させる。なお、図３では向かって左側の端面に霧循環口１４０が形成されているが、向かって右側の端面に霧循環口１４０を形成しても良い。また、栽培管１０１の内部に供給されて植物１０６の根部１２５に施用された霧１２６は、一部が復水して水滴になる場合がある。そこで、例えば超音波霧化器１０２が栽培管１０１よりも低い高さに設けられる場合には、霧循環口１４０の下端を栽培管１０１の内部底面と同じ高さとすることで、霧１２６だけでなく霧１２６が復水して栽培管１０１の底面に水滴として溜まった養液２０８も超音波霧化器１０２に循環させることができる。なお、植物１０６の根部１２５に施用された霧１２６や栽培管１０１の底面に水滴として溜まった養液２０８を超音波霧化器１０２に循環させる必要がない場合、又は、循環させない場合には、霧循環口１４０及び霧循環ダクト１０５は省略して良い。なお、その場合には、後述する霧循環用開口部２０５も省略する。

次に、パネル１２１に形成されている培地穴１２３の構成について、図４を参照しながら説明する。

図４は、栽培管１０１を示した平面図である。図４に示されるように、栽培管１０１の上面を構成するパネル１２１には、培地穴１２３が霧供給管１２０の中心から所定の距離Ａを置いて霧供給管１２０に沿うように並列に複数形成されている。なお、図４では、１２個の培地穴１２３がパネル１２１に形成されているが、培地穴１２３の個数はこれに限定されず、例えば、２列×１６個で合計３２個の培地穴１２３が形成されても良い。

次に、霧供給管１２０に形成されている噴き出し穴１２４の構成について、図５を参照しながら説明する。

図５は、パネル１２１を取り外した状態の栽培管１０１及び霧供給管１２０を示した平面図である。図５に示されるように、噴き出し穴１２４が霧供給管１２０に複数形成されており、それぞれの噴き出し穴１２４は、培地穴１２３にはめ込まれる培地１２２が保持する植物１０６の根部１２５のそれぞれに対応している。

次に、超音波霧化器１０２の構成について、図６を参照しながら説明する。

図６は、超音波霧化器１０２を示した断面図である。図６に示されるように、超音波霧化器１０２は、筐体２００と、内部空間２０１と、超音波振動子２０２と、発振器２０３と、霧送出用開口部２０４と、霧循環用開口部２０５と、反射板２０６と、養液２０８を貯留する霧化液槽２０７とを備えている。

筐体２００は、超音波霧化器１０２を構成する各要素を内部に備えている。筐体２００の大きさ及び形状については特に限定されず、必要な霧化能力などに応じて任意に決定して良い。筐体２００の素材については特に限定されず、合成樹脂やステンレスなど種々の素材から任意に選択して良い。

超音波振動子２０２は、霧化液槽２０７に貯留された養液２０８に対して超音波振動を与えて、養液２０８を霧化する。

発振器２０３は、電源（図示せず）から供給される電力によって駆動し、超音波振動子２０２に対して電力を供給する。なお、図６では発振器２０３を筐体２００の内部に備えているが、発振器２０３を備える場所はこれに限定されず、筐体２００の外部に備えても良い。

霧送出用開口部２０４は、超音波霧化器１０２の内部空間２０１から霧供給管１２０へ霧供給ダクト１０４を介して霧１２６を送出するための開口部である。霧送出用開口部２０４には、霧供給ダクト１０４が連結される。また、霧１２６を霧供給管１２０に効率良く供給できるよう、ファン１０３が霧送出用開口部２０４に設けられている。なお、ファン１０３を設ける位置は霧送出用開口部２０４に限定されず、例えば、超音波霧化器１０２の内部空間２０１でも良い。

霧循環用開口部２０５は、霧循環ダクト１０５を介して霧１２６や水滴になった養液２０８を栽培管１０１から回収するための開口部である。霧循環用開口部２０５には、霧循環ダクト１０４が連結される。

反射板２０６は、超音波振動子２０２から発せられた超音波振動を反射してその向きを変化させるための板状の部材である。反射板２０６を設けることにより、図６に示されるように、振動面を垂直にして超音波振動子２０２を固定することができる。振動面を垂直にして超音波振動子２０２を固定することにより、超音波振動子２０２の振動面に不純物や沈殿物が沈殿・付着することを防ぐ効果が得られる。反射板２０６は、霧化液槽２０７に貯留された養液２０８に浸る部材であるため、ステンレスなど耐腐食性を持つ素材であることが好ましい。反射板２０６を傾斜させて固定する際の傾斜角度については特に限定されず、例えば、霧化液槽２０７の形状や養液２０８の水深に応じて任意に決定して良い。なお、超音波振動子２０２の振動面を垂直にする必要がない場合、又は、垂直にしない場合は、超音波振動子２０２の振動面を水平に固定して反射板２０６を省略することができる。

次に、霧供給管１２０に形成されている噴き出し穴１２４の形状について、図７及び図８を参照しながら説明する。

図７は、従来の噴き出し穴２２０を示した断面図である。霧供給管１２０に形成される噴き出し穴は、基本的には霧１２６が霧供給管１２０の内部から外部へ通過できる径を有していれば良く、図７に示される噴き出し穴２２０のように、単純な穴形状であっても良いと言える。しかしながら、単純な穴形状の噴き出し穴は、霧供給管１２０の内部から外部へ通過する霧１２６の一部が復水することで発生する水滴によって目詰まりしてしまう。参照符号２２１で示される水滴は、霧１２６が復水して水滴になった状態を示している。そこで、本実施形態に係る霧供給管１２０に形成されている噴き出し穴１２４は、図８に示されるように、皿座ぐり状となるように形成されている。

図８は、本実施形態に係る噴き出し穴１２４を示した断面図である。本実施形態に係る噴き出し穴１２４は、皿座ぐり状、すなわち、霧供給管１２０の内部から外部に向かって径が漸次大きくなるように形成されている。

本願出願人は、噴き出し穴１２４を皿座ぐり状に形成するときの座ぐり角度θ１について、様々な角度での目詰まりの発生率を検証する実験（実験１）を行った。実験１の実験条件は以下のとおりである。

実験条件（実験１）
植物数：２列×１６個＝３２個
霧供給管：硬質塩化ビニル管ＶＰ３０（呼び径３０ｍｍ，内径３１ｍｍ，外径３８ｍｍ）
距離Ａ：３５ｍｍ
噴き出し穴の穴径（下穴径）：４ｍｍ
霧噴き出し時間：２時間

なお、噴き出し穴の穴径（下穴径）は、霧供給管内の空気の圧力が抜け切らないよう、以下の計算に基づいて４ｍｍとした。
霧供給管（硬質塩化ビニル管ＶＰ３０）の内径＝約３１ｍｍ
霧供給管の内部断面積＝（３１／２）^２×π＝７５４．７７ｍｍ^２
噴き出し穴の面積×噴き出し穴の数＜霧供給管の内部断面積
噴き出し穴の面積×３２＜７５４．７７ｍｍ^２
噴き出し穴の面積＜７５４．７７／３２＝２３．５９ｍｍ^２
噴き出し穴の穴径＜√（２３．５９／π）×２＝５．４８ｍｍ

実験１の結果を表１に示す。

表１のとおり、座ぐり角度θ１が６０度未満の場合では、霧１２６の噴き出しを開始してから２時間経過した時点で、３２個の噴き出し穴１２４のうち５０％にあたる１６個の噴き出し穴１２４で水滴による目詰まりが確認された。それに対して、座ぐり角度θ１が６０度の場合と１２０度の場合では、霧１２６の噴き出しを開始してから２時間経過した時点で、３２個の噴き出し穴１２４の全てで目詰まりが確認されなかった。この結果より、座ぐり角度θ１は６０度以上であると好ましいことが理解される。ただし、座ぐり角度θ１が大きくなるに従って加工の困難性が高まる他、座ぐり角度θ１が１８０度の場合は、噴き出し穴１２４が単純な穴形状になってしまう。従って、座ぐり角度θ１は１８０度未満である必要があり、加工の困難性を考慮すると、座ぐり角度θ１の上限として好ましい角度の一つとして、実験１において目詰まりが確認されなかった１２０度が挙げられる。

以上のとおり、６０度以上１２０度以下の座ぐり角度θ１で形成された皿座ぐり状の噴き出し穴１２４を有する超音波霧化栽培装置１００によれば、霧供給管１２０に形成されている噴き出し穴１２４が復水して水滴になった霧１２６によって目詰まりすることを防ぐ効果が得られる。

ところで、噴き出し穴１２４は、パネル１２１に定植される植物１０６の根部１２５の近傍に形成されるため、植物１０６が生長するにつれて根部１２５が噴き出し穴１２４に入り込みやすくなる（以下、植物１０６の根部１２５が噴き出し穴１２４に入り込むことで引き起こされる噴き出し穴１２４の詰まり現象を、根詰まりと表現する）。

図９は、植物１０６の根部１２５の生長特性を示した図である。一般に、植物１０６の根部１２５は、正の屈地性によって重力の方向、即ち、参照符号２６０の矢印で示す方向に主に伸びていく。一方で、植物１０６の根部１２５は、水分屈性によって水分の多い方向、例えば、参照符号２６１の矢印で示す方向に伸びていく性質も併せ持つ。そこで、本願出願人は、噴き出し穴１２４が根詰まりすることなく植物１０６の根部１２５に対して霧１２６を安定的に供給できる噴き出し角度θ２を検証する実験（実験２）を行った。なお、噴き出し角度θ２とは、図１０に示すように、霧供給管１２０の断面中心から見たときの垂直上方向から噴き出し穴１２４の中心までの水平方向への角度を意味する。実験２の実験条件は以下のとおりである。

実験条件（実験２）
植物数：２列×１６個＝３２個
栽培種：小松菜，枝豆，人参，ピーマン
座ぐり角度θ１：９０度
霧供給管：硬質塩化ビニル管ＶＰ３０（呼び径３０ｍｍ，内径３１ｍｍ，外径３８ｍｍ）
距離Ａ：３５ｍｍ
距離Ｂ（パネルの底面と霧供給管の中心の垂直距離）：５０ｍｍ（θ２＝３０度），３３ｍｍ（θ２＝４５度），１９ｍｍ（θ２＝６０度）
実験期間：２０１７年５月２５日から２０１７年８月２日まで７０日間（霧の噴き出しは２４時間連続）

実験２の結果を表２に示す。

表２のとおり、噴き出し角度θ２が３０度の場合では、実験を終えた時点でいずれの栽培種も、３２個の噴き出し穴１２４のうち５０％にあたる１６個の噴き出し穴１２４で根詰まりが確認された。それに対して、噴き出し角度θ２が４５度の場合と６０度の場合では、実験を終えた時点でいずれの栽培種も、３２個の噴き出し穴１２４の全てで根詰まりが確認されなかった。従って、噴き出し角度θ２は４５度以上であると好ましいことが理解される。

以上のとおり、噴き出し穴１２４の噴き出し角度θ２が４５度以上である超音波霧化栽培装置１００によれば、霧供給管１２０に形成されている噴き出し穴１２４が生長した植物１０６の根部１２５によって根詰まりすることを防ぐ効果が得られる。

次に、本発明の実施形態に係る超音波霧化栽培装置１００の変形例について、図１１を参照しながら説明する。

図１１は、本発明の実施形態に係る超音波霧化栽培装置１００の変形例を示した概略平面図である。図１１に示されるように、本変形例に係る超音波霧化栽培装置１００は、栽培管１０１と霧供給管１２０との組み合わせからなる栽培ユニット３００を複数備えている。霧供給ダクト１０４は、一端が超音波霧化器１０２の霧送出用開口部２０４に連結されて他端が分岐しており、各霧供給管１２０の霧導入口１４１は、分岐する霧供給ダクト１０４の他端にそれぞれ連結されている。また、霧循環ダクト１０５は、一端が超音波霧化器１０２の霧循環用開口部２０５に連結されて他端が分岐しており、各栽培管１０１の霧循環口１４０は、分岐する霧循環ダクト１０５の他端にそれぞれ連結されている。超音波霧化器１０２及びファン１０３は、共用の装置としてそれぞれ１台のみ備えている。

本変形例に係る超音波霧化栽培装置１００によれば、設置面積などの栽培環境や所望の栽培規模に応じて、栽培ユニット３００の数を任意に調節することができる。

また、本変形例に係る超音波霧化栽培装置１００は、霧１２６の供給を制御するためのバルブ３０１を栽培ユニット３００毎に備えることにより、栽培ユニット３００への霧１２６の供給を個別に制御することができる。バルブ３０１は、例えば、図１１に示されるように、各栽培ユニット３００の霧供給管１２０へ分岐して伸びる霧供給ダクト１０４の途中にそれぞれ備えることができる。

さらに、本変形例に係る超音波霧化栽培装置１００は、栽培管１０１と霧供給管１２０との組み合わせからなる栽培ユニット３００を同一の平面上に設けるだけでなく、例えば、所定の段差を持たせて階段状に設けることができる。複数の栽培ユニット３００を階段状に設けるにより、例えば、建造物の壁面緑化用の装置として超音波霧化栽培装置１００を活用することができる。

以上、本発明の好適な実施形態及びその変形例について説明したが、本発明は上記の各実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、各実施形態及びその変形例を組み合わせて良い他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変が可能であることは言うまでもない。

１００ 超音波霧化栽培装置
１０１ 栽培管
１０２ 超音波霧化器
１０３ ファン
１０４ 霧供給ダクト
１０５ 霧循環ダクト
１０６ 植物
１２０ 霧供給管
１２１ パネル
１２２ 培地
１２３ 培地穴
１２４ 噴き出し穴
１２５ 根部
１２６ 霧
１４０ 霧循環口
１４１ 霧導入口
１４２ 溝部
２００ 筐体
２０１ 内部空間
２０２ 超音波振動子
２０３ 発振器
２０４ 霧送出用開口部
２０５ 霧循環用開口部
２０６ 反射板
２０７ 霧化液槽
２０８ 養液
２２０ 噴き出し穴
２２１ 水滴
３００ 栽培ユニット
３０１ バルブ

Claims (7)

1. 植物の苗を保持するパネルで上面が構成され、前記植物の根部が内部に下垂する中空の栽培管と、
   前記栽培管の内部に下垂する前記根部に対応する、穴径が４ｍｍの噴き出し穴が側面に設けられ、前記栽培管の内部に設けられる霧供給管と、
   養液を貯留する霧化液槽と、前記養液を超音波振動で霧化する超音波振動子と、前記超音波振動子を振動させる発振器とを有し、霧化した前記養液を前記霧供給管に供給する超音波霧化器とを備え、
   霧化された前記養液を前記栽培管の内部へ噴き出す前記噴き出し穴が皿座ぐり状に形成されていることを特徴とする超音波霧化栽培装置。
   
2. 前記噴き出し穴が、６０度以上１２０度以下の範囲の座ぐり角度で皿座ぐり状に形成されている請求項１に記載の超音波霧化栽培装置。
3. 前記噴き出し穴が、垂直上方向から水平方向へ４５度以上の位置に設けられている請求項１又は２に記載の超音波霧化栽培装置。
4. 前記栽培管と前記超音波霧化器とを連通させ、前記噴き出し穴から前記栽培管の内部に供給された霧を前記超音波霧化器に循環させる霧循環ダクトをさらに備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波霧化栽培装置。
5. 前記栽培管と前記霧供給管との組み合わせからなる栽培ユニットを複数備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の超音波霧化栽培装置。
6. 霧化した前記養液の供給を制御するバルブを前記栽培ユニット毎にさらに備える請求項５に記載の超音波霧化栽培装置。
7. 複数の前記栽培ユニットが階段状に設けられる請求項５に記載の超音波霧化栽培装置。

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