JP7361523B2 - 植物栽培装置 - Google Patents
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Description
植物工場は、完全人工光型と太陽光利用型の2つの種類に大別される。完全人工光型は、閉鎖環境で太陽光を用いずに人工光源のみで栽培するものであり、太陽光利用型は、温室に近い環境で、太陽光の利用を基本とし、人工光による補光や夏季の高温抑制技術を用いて栽培するものである。
(植物栽培装置1)
以下、本発明の第1実施形態の植物栽培装置1について説明する。図1は、外壁5を一部切り欠いた状態の植物栽培装置1の斜視図である。図2は、外壁5の上面5Tを取り外した状態の植物栽培装置1の上面図である。図3は、植物栽培装置1の構成を示すブロック図である。
栽培チャンバ4は、外壁5により内部が開閉可能に密閉され、外部に対して隔離されている。すなわち、栽培チャンバ4内の温度、気流、明るさは、外部に対して独立した制御が可能であり、植物栽培装置1が配置される植物工場の作業室の環境から独立した栽培環境を維持可能である。
なお、密閉とは、外壁5で栽培チャンバ4を閉じた場合、空気が外部に流出したり、外気が流入したりせず、虫等の混入も発生しない程度に閉鎖されている状態である。
外壁5の素材としては、外壁5の内部の栽培チャンバ4が外部の環境の影響を受けにくいように、光不透過性の断熱材を用いることが好ましい。
外壁5の右面5Rと栽培室10の右壁10Rとの間の空間は、気体循環室33Rとなっている。外壁5の前面5Fと栽培室10の前壁10Fとの間の空間は、養液循環室33Fとなっている。
植物栽培装置1は、さらに、養液循環システム40と、気体循環システム30と、制御部60と、操作部61と、表示部62と、照明装置20と、重量測定装置70とを備える。
図4は養液循環システム40の模式図である。養液循環システム40は、植物の成長に必要な液体である養液を循環する装置である。実施形態においては植物の栽培に必要な栄養素を含む養液が循環するが、これに限らず、他の流体、例えば水であってもよい。
図1、2に示すように、養液循環システム40は、植物栽培装置1の一側である前側に配置されている。
養液循環システム40はさらに、養液回収路としての養液回収溝46、養液回収溝46に対して垂直前側に延びる溝延設部47と、養液回収タンク49と、を備える。
養液貯留タンク41に収容されている養液は、植物の栽培に必要な栄養素を含み、例えば、養液には、カルシウムと、三要素と称される窒素、リン及びカリウム等の多量要素、さらに鉄やマグネシウム等の微量要素を成分として含む肥料を含む。
なお、水位センサを用いず、養液貯留タンク41の側面において養液をオーバーフローさせることにより、養液の液位一定に保つようにしてもよい。オーバーフローの排水は、養液回収タンク49へ戻してもいいし、そのまま排水してもよい。
養液貯留タンク41内に養液が貯留されたときに、養液貯留タンク41の上端を超えると溢れ出すので、養液貯留タンク41の養液の液面の高さH3が養液貯留タンク41の上端の高さH4よりも高くなることはない。
したがって、立ち上がり部42c内の養液の液面の高さH2は、養液貯留タンク41内の養液の液面の高さH3以下となる(同じか、圧損がある場合わずかに下回る)ので、立ち上がり部42cの上端から養液が溢れだすことはない。
なお、養液流入プレート45を設けず、吐出管44aから直接栽培容器11内に流入させてもよい。
なお、これら養液回収溝46と、溝延設部47と、養液回収筒48とは、植物栽培装置1に対して着脱可能であり、取り外して清掃が可能である。
養液回収溝46及び溝延設部47は、養液が流れる上流側から下流側に向ってわずかに傾いていることが好ましい。
また、これらの養液回収溝46や溝延設部47等は、照明装置20からの光が入射しないように蓋等が被せられ、藻等の発生が抑制されている。
養液回収タンク49は、養液貯留タンク41よりも低い位置に配置されるので、例えば図1に示すように、植物栽培装置1の下部の下部空間3に配置される。
図5は栽培容器11の分解斜視図である。栽培容器11は、上部トレイ12と、下部トレイ13と、2枚の栽培プレート14と、2枚の仕切り板15とを備える。
栽培容器11は、両側に仕切り板15が取り付けられた上部トレイ12を下部トレイ13の上に重ねた状態で、上部トレイ12の中に栽培プレート14をはめ込み、短手方向が栽培室10の左右方向に沿うように、栽培室10内に4枚(図1参照)、水平に配置されている。ただし、4枚に限定されない。また、栽培容器11の形状は、実施形態では、短手方向の長さ:長手方向の長さ=1:5であるが、これに限定されない。
底面13aの上面には、底面13aの長手方向(前後方向)に沿って、互いに平行なリブ13fが複数立設されている。リブ13fは底面13aの長手方向において、断続的に設けられている。底面13aを、後述するように後側から前側に養液が流れる場合、養液は、それぞれのリブ13fの間をリブ13fに沿って流れるため、養液が底面13aの短手方向の一方に溜まらずに、均一に流れることができる。
下部トレイ13の下部には、断面L字形で、短手方向に延びるローラスライド部13gが設けられている。
底面12aの後側には、長穴12eが設けられている。栽培容器11が栽培室10に配置されると、底面12aは、前側が後ろ側よりも、角度θ(θは0.5度~1度)で、徐々に高くなる傾斜面となる。
底面12aの上面には、底面13aと同様に底面12aの長手方向(前後方向)に沿って、互いに平行なリブ12fが複数立設されている。リブ12fは底面13aの長手方向において、断続的に設けられている。
底面12aを、後述するように前側から後側に養液が流れる場合、養液は、それぞれのリブ12fの間を流れるため、養液が底面12aの短手方向の一方に溜まらずに、均一に流れることができる。
また、両側の側壁部12bの内面側の前と後に、上下に延びる仕切り板保持溝12gが設けられている。
図6は植物栽培装置1の気体循環システム30に関係する部分の部分斜視図である。右壁10Rと外壁5の右面5Rとの間には気体循環室33Rが設けられている。
栽培室10の右壁10Rの上部には、前後方向に一定の間隔で設けられた複数の開口部が形成され、その開口部にはそれぞれ排気ファン32Aが取り付けられている。また、外壁5の右面5Rには、実施形態ではペルチェ式の冷却器である空調装置34が取り付けられている。さらに、気体循環室33Rの前よりの下部には給気ファン32Bが取り付けられている。
このように、気体循環システム30に含まれる排気ファン32A、空調装置34、給気ファン32Bが全て気体循環室33R側に設けられている。したがって、気体循環システム30のこれらの部分のメンテナンス等を行う場合、外壁5の右面5を一か所取り外すだけで作業が可能となる。
また、図3に示すように、それぞれの送風パイプ31Aの下側には、送風穴31Bが設けられている。送風穴31Bは、植物栽培穴14aの位置に対応しており、実施形態においては1つの植物栽培穴14aの上方に1つの送風穴31Bが設けられている。
気体循環システム30による第1の空気流路として、排気ファン32Aによって栽培室10より気体循環室33Rに空気が排気され、気体循環室33Rに排気された空気は、空調装置34によって冷却される。冷却された空気は、給気ファン32Bによって栽培室10内の送風管31に供給される。送風管31に供給された空気は、送風管31を流れて、送風管31から送風パイプ31Aに送られる。送風パイプ31Aに送られた空気は、送風穴31Bより下方に噴出される。噴出された空気は、真下の植物Vに上から吹き付けられる。
実施形態では空調装置34としてペルチェ式の冷却器を用いているので、冷却効果のばらつきが小さく、また、空調装置34が小型である。
照明装置20は、栽培室10の上部に配置された人工光源である。本実施形態で照明装置20は、栽培室10の前後に延びるように、送風パイプ31Aと平行に複数本が並列配置され、栽培室10に植設されている植物に光を照射する。照明装置20としては、消費電力が少なく薄型に構成できるLED(light emitting diode)が好適に用いられる。また、人工光源として蛍光灯を用いてもよい。照明装置20は制御部60によって制御され、操作部61に設けられたスイッチでON/OFFされる。
照明装置20は、栽培室10の上側であって、送風パイプ31Aと略同じ高さに配置され、実施形態では、照明装置20と送風パイプ31Aとは、互いに平行且つ略交互に配置されている。
ただし、これに限定されず、照明装置20と送風パイプ31Aとは、交差するように配置されていてもよい。
植物栽培装置1の動作は、制御部60により制御される。制御部60は、例えば、汎用のパーソナルコンピュータまたはファクトリーオートメーション用のコンピュータやプログラマブルコントローラ等により構成されている。
操作部61は、栽培室10内が所定の栽培環境となるように設定するためのボタンやキーボード等で構成され、栽培室10の外壁5に配置される。
表示部62は、栽培室10において後述の重量測定装置70を含む各種センサによりモニタされた測定結果や、操作部61により設定された所定の栽培環境等を表示するためのもので、液晶パネル等により構成され、栽培室10の外壁5に配置される。
なお、操作部61、制御部60及び表示部62は、植物栽培装置1と一体で構成することなく、別体で構成してもよい。その場合、操作部、制御部及び表示部を備える制御盤を植物工場の所定箇所に配置し、この制御盤により複数の植物栽培装置1の栽培チャンバ4のそれぞれの栽培環境を集中して管理してもよい。
植物栽培装置1は、栽培容器11を搬送するための搬送機構80と、栽培中の植物Vの重量を測定する重量測定装置70とをさらに備えている。図7は植物栽培装置1の搬送機構80及び重量測定装置70を示す斜視図であり、搬送機構80が見えるように、一部切り欠いて示す。
(照明装置20)
制御部60は、光束や照度、または照射する光の波長の分布等を所定の値とするように、照明装置20による植物への光の照射を行う。
制御部60は、水位センサ41aから供給される、養液貯留タンク41に溜められている養液の液面の高さを示す信号により、養液貯留タンク41における養液の液面が所定の高さとなるように、ポンプ50による養液貯留タンク41への養液の供給を行う。
養液貯留タンク41に貯留されている養液が、水平に延びる養液供給管42内に流入する。
実施形態によると、ポンプにより圧送されている場合と比べて、養液供給管42内の養液の、上流側と下流側とでの圧力差が小さく、大気に開放している立ち上がり部42cでの養液の液面の高さH2が養液貯留タンク41における養液の液面の高さH3と略等しくなる。
したがって、養液の養液供給管42内への流入と同時に、それぞれの吐出口44において、均一に養液を流出させることができる。
なお、吐出口44の内径または吐出管44aの内径のうちの小さい方の径を変えることによっても、単位時間当たりに吐出される養液の量を変えることもできる。
栽培容器11に流入した養液は、上部トレイ12の傾斜した底面12aに沿って、前側から後側に流れつつ、栽培プレート14に植設された植物Vによって吸収される。この際、養液は、それぞれのリブ12fの間を流れるため、養液が底面12aの短手方向の一方に溜まらずに、均一に流れることができる。ゆえに養液が滞留しない。
植物Vによって吸収されなかった余剰の養液は、上部トレイ12の長穴12eから、下部トレイ13上に流出する。下部トレイ13に流入した養液は、下部トレイ13の傾斜した底面13aに沿って、後側から前側に流れる。この際、養液は、それぞれのリブ13fの間をリブ13fに沿って流れるため、養液が底面13aの短手方向の一方に溜まらずに、均一に流れることができる。
そして、養液は、下部トレイ13の長穴13eから養液回収溝46へと流出する。これにより、養液が栽培容器11に滞留することがない。
なお、養液回収筒48は栽培チャンバ4の密閉性を保つためにU字管を用いており、養液回収筒48から外気等が流入しないようになっている。
水位センサ41aによって養液貯留タンク41内の養液の液面の高さが適宜測定される。制御部60は、その液面高さを示す信号を基に、養液貯留タンク41における養液の液面が所定の高さとなるように、ポンプ50による養液貯留タンク41への養液の供給を制御する。
養液貯留タンク41に供給された養液は、再度、養液供給管42内に流入し、循環される。
これに対して植物栽培装置1の前面だけでなく、背面や側面に養液循環システム40の配管の一部が配置されている場合、植物栽培装置1のメンテナンスを行う場合、前面以外の外壁5も取り外すことが必要となり、またメンテナンスの時間もかかる。
しかし、実施形態ではメンテナンスを行う場合、前側の外壁5を外すだけでよい。したがってメンテナンスが容易となる。
制御部60により、排気ファン32Aが作動されると、気体循環システム30の第1の空気流路として、栽培室10内の空気は、排気ファン32Aにより気体循環室33Rへ排気される。
したがって、外壁5の右面5Rを外すだけで、空気の流れの点検、気体循環システム30の電気系統の点検等のメンテナンスといった、気体循環システム30に関連する全ての作業が可能となるのでメンテナンスが容易となる。
しかし、特に、ハクサイ、キャベツ、レタス等のように葉が一枚一枚巻きながら重なり、球状になる結球野菜や、リーフレタスのように葉の巻きがゆるく、完全に結球せず半結球となる半結球野菜は、中央から新しい葉が育っていくが、これらの新しい葉は外葉に覆われている。
したがって、横方向の気流を発生させる一般的な植物発生装置では、中央の葉に風が当たらない。そうすると、中央の新しい葉は、外葉に比べて蒸散が少なくなり、養液が行き渡らないためにカルシウムが不足し、細胞の壊死が生じてチップバーンが生じ、心腐れを招く可能性が高くなる。
特に、植物栽培装置においては、栽培室内の温度や照明、供給される養液、植物の生長を助長するようにコントロールされている。このため、植物栽培装置においては自然状態よりも植物の生長が早まり、中央の葉に十分に養分が行き渡らない可能性がより高くなる。
照明装置20は、照明中に発熱するが、空気が照明装置20の間を通るので、照明装置20を冷却することができる。
さらに、照明装置20と送風パイプ31Aとは、略同じ高さに配置されている、したがって、送風パイプ31Aによって照明装置20からの照明が遮られることがない。
また、照明装置20の冷却は、すでに植物Vに吹き付けられた後の空気によって行われ、送風パイプ31Aから送風された植物Vに吹き付けられる前の空気の、照明装置20からの発熱による加熱の影響が少ないので、植物Vに吹き付ける空気の温度制御が容易である。
また、植物Vが栽培されている栽培容器11は、ローラ82及びローラ保持部81を介して板部材71上に載置されているので、栽培容器11ごと、植物Vの重量を重量測定装置70によって測定することができる。
重量測定装置70の測定結果は制御部60に送られて、連続的な重量測定が可能であるので、植物Vの生育状態を重量によって管理することができ、適切な収穫時期を把握することができる。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。
例えば、実施形態では養液貯留タンク41と養液回収タンク49とを別々に設けたが、これらのタンクを1つにしてもよい。
さらに、実施形態においてはトレイに傾斜を設けることにより養液の流れが促進される構造としたが、トレイの底面に傾斜を設けない構造であってもよい。
図8は、第2実施形態の植物栽培装置101の概略図である。第2実施形態の植物栽培装置101は、気体循環システムとして、第1実施形態で説明したような植物Vへ上から空気を流す第1の空気流路に加えて、栽培室10内で横方向に空気を流す第2の空気流路を備える。 なお、それ以外の構成は第1実施形態と同様であるので、同様な部分の説明および図示は省略し、共通する部分には同一の符号を付す。
なお、第1の空気流路における給気ファン32Bは、第1実施形態と同様に右側気体循環室33Rに配置してもよく、また養液循環室33Fに配置してもよい。
栽培室10の上壁10Tは、後壁10Bと当接するまで延びておらず、上壁10Tと後壁10Bとの間には、上下方向に貫通した隙間Sが設けられている。隙間Sは、空気が栽培室10へと流入する空気流入口となっている。
また、右側気体循環室33Rに、植物の周囲の空気の温度、湿度、二酸化炭素や酸素の量等を管理する第2空調装置34Bが配置されている。ただし、第1実施形態と同様に、第2空調装置34Bを備えずに、冷却を行う空調装置34をのみを備える構成であってもよい。
第2の空気流路は、第1実施形態のような送風穴31Bのような径の小さな穴を通過しないので、第1の空気よりも大量に空気を循環させることができ、栽培室10内の空気をより早く循環させることができる。ゆえに、植物の周囲の環境の制御をより迅速に所望の状態に保つことができる。よって、栽培室10内の環境変化(温度や湿度の変化)を低減することができる。その結果、植物の生長にとって最適かつ均質な栽培環境が保持され、植物工場の生産性を向上させることができる。
図9は第3実施形態の植物栽培装置201の概略図である。第3実施形態は、栽培室10内で横方向に空気を流す第2の空気流路の方向が異なる以外は第2実施形態と同様であるので、同様な部分の説明および図示は省略する。
制御部60により、排気ファン32Aが作動されると、栽培室10内の空気は、排気ファン32により養液循環室33Fへ流出される。養液循環室33Fへ流出された空気は空調装置34Bによって空気の温度、湿度、二酸化炭素や酸素の量等が調整されて上側気体循環室33Tへ送られる。
1,101,201 植物栽培装置
4 栽培チャンバ
5 外壁
5D 底面
5F 前面
5L 左面
5R 右面
5T 上面
10 栽培室
10B 後壁
10F 前壁
10R 右壁
11 栽培容器
14 栽培プレート
14a 植物栽培穴
20 照明装置
30 気体循環システム
31 送風管
31A 送風パイプ
31B 送風穴
32A 排気ファン
32B 給気ファン
33F 養液循環室
33R 気体循環室
34 空調装置
34B 第2空調装置
40 養液循環システム
41 養液貯留タンク
49 養液回収タンク
50 ポンプ
60 制御部
70 重量測定装置
80 搬送機構
Claims (9)
- 内部を密閉可能な栽培チャンバを備える人工光型の植物栽培装置であって、
前記栽培チャンバの内部に、
植物を栽培する栽培室と、
前記栽培室において気流を発生させる気体循環システムと、
を備え、
前記気体循環システムは、
前記栽培室の上部を延びる複数の送風パイプに設けられた複数の送風口から、前記栽培室の上方から下方に向かって空気を噴出させて、前記栽培室において上から下に向かう第1の空気流路を流れる気流を発生させる機構と、
前記栽培室の上壁と後壁との間に設けられた、上下方向に貫通した隙間より前記栽培室内に空気を流入させて、前記栽培室において横方向に向かう第2の空気流路を流れる気流を発生させる機構と、を含む植物栽培装置。 - 前記栽培室を照明する照明装置を備え、
前記気体循環システムは、
前記栽培室から空気を排気する排気ファンと、
前記栽培室に空気を供給する給気ファンと、を有し、
前記送風パイプには、前記給気ファンより空気が供給される、
請求項1に記載の植物栽培装置。 - 前記気体循環システムは、
前記栽培チャンバの内部に設けられた、気体循環室を備え、
前記排気ファンは、前記栽培室から前記気体循環室へ空気を排気し、
前記給気ファンは、前記気体循環室から前記栽培室に空気を供給する、
請求項2に記載の植物栽培装置。 - 前記気体循環システムは、
前記気体循環室の空気を調整する空調装置をさらに備え、
前記排気ファンと、前記空調装置と、前記給気ファンとが、前記栽培室の一面側に配置されている、
請求項3に記載の植物栽培装置。 - 前記照明装置と、前記送風パイプとは、同じ高さに配置されている、
請求項2から4のいずれか1項に記載の植物栽培装置。 - 前記排気ファンは、前記栽培室における、前記照明装置及び前記送風パイプよりも上部に設けられている、
請求項5に記載の植物栽培装置。 - 前記栽培室には、複数の植物栽培穴が設けられた栽培プレートが配置され、
前記送風口は、前記植物栽培穴のそれぞれに対応して、前記植物栽培穴の上部に配置されている、
請求項2から6のいずれか1項に記載の植物栽培装置。 - 前記栽培室には、
栽培容器と、
植物が栽培された状態の前記栽培容器の重量を測定する重量測定装置と、が配置されている、
請求項1から7のいずれか1項に記載の植物栽培装置。 - 前記栽培室に供給される液体を循環させる液体循環システムを備え、
前記液体循環システムは、
液体を前記栽培室へ流入される液体供給路と、
前記栽培室から回収された液体を回収する液体回収路と、を有し、
前記液体供給路と前記液体回収路とが、前記栽培室の一面側に配置されている、
請求項1から8のいずれか1項に記載の植物栽培装置。
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