JP7806779B2 - 水耕栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、水耕栽培装置に関する。

様々な課題を抱える農業において、液体肥料を用いた水耕栽培が注目されている。しかし、根菜類の水耕栽培に関しては、まだほとんど実用化されておらず、本格的な事業化には至っていない。

特許文献１には、根菜類に適用可能な水耕栽培装置が記載されている。この装置は、養液貯留用容器と、養液貯留用容器の養液の液面に対し一定の間隔をもって向き合うように固定される蓋部材とを備える。
蓋部材に支持される植物の主根の先端部だけが、養液貯留用容器内の養液に浸されることで、根菜類の苗の根を伸ばし、その後に根を太らせることができるため、水耕栽培でありながら、長くて太い根を持つ根菜類を栽培できる。

特許第７２７６１３８号公報

特許文献１に記載の水耕栽培装置は出願人によるものであり、根菜類に適用できる点で大変優れている。
発明者らは、この水耕栽培装置について、根菜類をより効率よく生産するために必要な改善点を見出し、本発明を完成させた。

本発明は、根菜類に良好に適用でき、生産性の高い水耕栽培装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、苗の根を伸ばすための根伸長部を備える水耕栽培装置である。
根伸長部は、内部に養液が配置されて一方向に並べて配置された複数の養液槽と、養液槽の上に配置される苗床を上面で支持する支持部とを有する。
複数の養液槽は、一方向の一方において最も高い位置に配置され、他方に向かって順次低くなるように配置され、養液槽の各々に配置された養液の水面が、一方向の一方から他方に向かって徐々に低くなる階段状となっている。
養液槽の各々に配置された養液の水面と支持部の上面との距離は、一方向の一方から他方に向かって徐々に増加しており、苗床を養液槽に対して相対移動させることにより、苗の根が浸かる養液層を変更可能に構成されている。

本発明に係る水耕栽培装置は、根菜類に良好に適用でき、生産性が高い。

本発明の一実施形態に係る水耕栽培装置のブロック図である。 同水耕栽培装置の第一ユニットを示す斜視図である。 同第一ユニットの構成を示す模式図である。 同水耕栽培装置の第二ユニットを示す斜視図である。 同第二ユニットの構成を示す模式図である。 第二ユニットに適用される苗床のプレートを示す図である。 （ａ）は、同苗床のストッパを構成するスポンジを示す図であり、（ｂ）は、同ストッパを示す図である。 同第二ユニットの変形例を示す模式図である。 同第二ユニットの変形例を示す斜視図である。

以下、本発明の第一実施形態について、図１から図８を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る水耕栽培装置１のブロック図である。
水耕栽培装置１は、苗の根を十分な長さまで伸ばすための第一ユニット（根伸長部）１００と、伸びた根を太らせるための第二ユニット２００とを備えている。

図２は、第一ユニット１００を示す斜視図である。第一ユニット１００は、フレーム（支持部）１１０と、フレーム１１０に設置されたおよび複数の養液槽を備えている。フレーム１１０の上部には、複数の苗床１０が設置され、図示しない照明から成長を促進する照明光が照射される。照明の具体的な構成に特に制限はなく、白色光源や、赤色ＬＥＤと青色ＬＥＤを組み合わせたものなどを適宜選択して使用できる。

図３は、第一ユニットの構成を示す模式図である。フレーム１１０は、一方向（本実施形態においては、長手方向）において複数のセクションに分割されており、各セクションにフレームの幅方向にわたって延びる養液槽１１１、１１２、１１３、１１４、１１５が配置されている。各々の養液槽には、育成対象の根菜類の成長に必要な成分と水とを含む養液が配置されており、上方が開放されている。養液は、例えば液体肥料を水で希釈して得ることができる。
本実施形態におけるセクションの数は５であるが、これは必須ではなく、所望の数とできる。

本実施形態では、５つの養液槽は、概ね同一寸法であり、概ね同量の養液が配置されているが、養液槽の設置される高さがそれぞれ異なっている。より具体的には、５つのセクションが並ぶ方向の一方の端に位置する養液槽１１１が最も高い位置に設置され、他方の端に位置する養液槽１１５に向かって設置位置が徐々に低くなり、養液槽１１５が最も低い位置に設置されている。これにより、各養液槽に配置された養液の水面は、養液槽１１１において最も高く、養液槽１１５に向かって順次階段状に低くなっている。
各養液槽は、それぞれ異なる養液タンク１２１、１２２、１２３、１２４、１２５と接続されており、ポンプＰにより養液が循環されている。各養液タンクには、定期的に新しい養液が供給され、これにより養液槽１１１、１１２、１１３、１１４、１１５内の養液は、水面の位置をほとんど変えずに常時更新され、作物の成長に必要な成分が常に所定量維持されている。

苗床１０は、一つのセクション内に配置できる平面視寸法を有する。本実施形態において、苗床１０の平面視形状は、長辺がフレーム１１０の幅と概ね同一の長さであり、短辺がフレーム１１０の長手方向における各セクションの寸法と概ね同一の長さの長方形である。

水耕栽培装置１を用いた根菜類栽培のうち、第一ユニット１００までの工程について説明する。
まず、苗床１０に設置できる程度まで根菜類の苗を初期育成する。育成の仕方に特に制限はないが、例えば所定の大きさに切ったスポンジに種をまき、水に浮かべて発芽させ、第一ユニットに設置可能な長さ（例えば５０ｍｍ以上）まで根を伸ばさせる。このとき、浮かべる水に含まれる養分が豊富であると、根が枝分かれしやすくなる。このため、養分を含まない水を用いると、根が１本の状態で伸びやすく、好ましい。

苗の根が所望の長さになったら、苗を苗床１０に設置し、養液の水面が最も高い位置にある養液槽１１１の上方に位置するフレーム１１０に苗床１０を設置する。
苗床１０に設置された苗と養液槽１１１との距離は、苗の根の先端から数センチメートル程度だけが養液に浸かる程度に設定される。
この状態で、養液槽１１１が設置された第一セクションＳ１において、苗の育成が行われる。苗は根の先端部のみが養液に浸かっているため、根は枝分かれせずにその長さだけを増大させていく。

苗の根が所定の長さになったら、苗床１０を養液槽１１１に隣接する養液槽１１２の上部に移動させる。移動させる際は、そのままフレーム上をスライドさせてもよいし、養液槽１１１の壁面と根との干渉を避けるために苗床１０を上方に引き上げてもよい。並行して、空いた第一セクションＳ１に新たな苗床１０を設置してもよい。
この状態で、養液槽１１２が設置された第二セクションＳ２において、引き続き苗の育成が行われる。養液槽１１２の水面は、養液槽１１１の水面より低い位置にあるため、第二セクションＳ２においても、苗は根の先端部のみが養液に浸かった状態となる。したがって、根は枝分かれせずにその長さだけを増大させていく。

このように、所定期間育成するごとに苗床１０を養液の水面がより低い隣接セクションに移動させることで、概ね１本のみの根が第二ユニット２００に設置できる長さまで伸びた苗を簡便に育成することができる。空いたセクションに順次新しい苗床１０を設置することで、第二ユニット２００に設置する苗を連続的に効率よく育成することが可能となる。

第一ユニット１００においては、セクションごとに、養液中の養分の組成や濃度が異なっていてもよい。また、複数のセクションで同一組成の養液を用いる場合は、一つの養液タンクが２以上の養液槽と接続されてもよい。すなわち、養液槽と養液タンクとは、必ずしも１対１で備えられなくてもよい。

本実施形態では、最も養液の水面位置が低い第５セクションＳ５で所定期間苗が育成されると、苗は第二ユニット２００に設置できる状態となり、第一ユニット１００における育成が終了する。
続いて、第二ユニット２００について説明する。

図４は、第二ユニット２００を示す斜視図である。図５は、第二ユニット２００の構成を示す模式図である。
図４および図５に示すように、第二ユニット２００は、一方向に延びる養液槽２１０と、養液槽２１０の上方に配置された支持レール２２０とを備える。

養液槽２１０は、ハーフパイプ状の部材であり、内部に養液を貯留できる。この条件を満たすものであれば、一般建築用の雨樋などを使用することもできる。貯留される養液は、手動で供給されてもよいが、第一ユニット１００と同様に養液タンクと配管で接続し、ポンプやフィルター等を用いた自動循環管理を行うこともできる。

本実施形態に係る支持レール２２０は、養液槽２１０と略平行に延びる一対のレールである。支持レール２２０の上側には、複数のコロ２２１が配置されている。

図４および図５に示すように、支持レール２２０上には、苗床２０が配置される。苗床２０は、一対のプレート２１と、プレート２１上に配置されるストッパ２５とを有する。
プレート２１は、金属等で形成され、支持レール２２０に掛け渡した状態で十分に育った対象作物が支持されても概ね平坦な状態を維持できる程度の剛性を有する。本実施形態のプレート２１は、図６に示すように、同形同大の第一プレート２１ａおよび第二プレート２１ｂで構成され、周縁に形成された凹部２２を突き合せるように接近させると、互いの凹部２２によりプレート２１の厚さ方向に貫通する穴が所望の数だけ形成される。

本実施形態に係るストッパ２５は、図７の（ａ）に示すような、一方の面に凹凸を有するスポンジ２６を２枚用いて構成されている。スポンジ２６は、平面視正方形であり、図７の（ｂ）に示すように、周縁の一辺から平面視中心に達する第一切込み２７ａと、平面視中心から周縁に達しない長さで延びる複数の第二切込み２７ｂとを有する。
２枚のスポンジ２６を、凹凸面が対向し、各々の第一切込み２７ａの延びる方向が異なり、かつ平面視中心が略一致するように重ねると、ストッパ２５が完成する。

水耕栽培装置１を用いた根菜類栽培のうち、第二ユニット２００に係る工程について説明する。
第一ユニット１００で育成されて根が十分な長さになった苗は、苗床１０から取り外されて苗床２０に設置される。
設置する際は、根と茎の境界部を１枚のスポンジ２６の第一切込み２７ａに通して苗をスポンジの平面視中心付近に位置させる。さらに、２枚のスポンジがストッパ２５を構成するように、根と茎の境界部をもう１枚のスポンジ２６の第一切込み２７ａに通して調整すると、苗にストッパ２５が取り付けられる。
プレート２１に形成された穴に苗の根を通しつつ、ストッパ２５をプレート２１上に配置すると、苗が苗床２０に設置される。

作業者が苗床２０を支持レール２２０に掛け渡すように配置すると、苗の根の先端部（例えば先端から数センチメートル程度）のみが養液槽２１０内の養液に浸される。さらに苗床２０を設置する場合は、これから設置するプレート２１で既に設置された苗床２０を押すと、苗床２０がコロ２２１上を滑って移動するため、作業者は大きな移動を伴わずに複数の苗床２０を簡便に支持レール２２０上に設置することができる。
なお、苗を苗床に設置するタイミングは適宜設定できる。すなわち、上述したように、苗床２０を支持レール２２０に配置する前でもよいし、プレート２１のみを支持レール２２０に配置した後に苗が設置されてもよい。

苗床２０を設置した後は、図示しない照明等から育成のための光が照射されて、所定の期間（例えば大根の場合４０～５０日程度）苗が育成される。育成対象の根菜が大根等である場合は、支持レール２２０と養液槽２１０との間の空間を暗幕等で覆って遮光することで、根が緑色になることを抑制できる。育成中は、新たな苗床２０が追加される等の場合を除き、苗床２０を移動する必要はない。
第二ユニット２００における生育中、苗は、あまり根の長さを増大させずにその太さを増大させていく。根が十分な太さになったら、作業者は、苗床２０から成長した作物を取り外して収穫する。成長した根の直径がプレート２１に形成された穴の内径よりも大きくなっている場合であっても、第一プレート２１ａと第二プレート２１ｂとを離間させることにより、簡便に取り外すことができる。

以上説明したように、第二ユニット２００においては、多数の苗の根を太らせる工程を、苗の設置から収穫まで簡便に行うことができる。
また、養液槽２１０が一方向に延びるハーフパイプ状であるため、比較的少ない量の養液で多数の苗を育成できる。

適用される苗床２０のストッパ２５は、２枚のスポンジ２６を用いて構成されているため、苗を容易に第一切込み２７ａに通すことができ、苗がストッパ２５に通された後は、２つの第一切込み２７ａの延びる方向が異なることにより、苗が抜けることを好適に防止できる。
さらに、第二切り込み２７ｂが設けられているため、これが広がることで根の成長を妨げることを抑制できる。また、２枚のスポンジ２６は、凹凸を対向させて重ねられるため、ストッパを構成する２枚のスポンジが面方向にズレを生じることも好適に抑制される。

第二ユニット２００および苗床２０に関しては、以下のような変更も可能である。これらの変更は単独で行われても、２以上組み合わされてもよい。
・養液槽２１０が複数のセクションに分割されて、セクションごとに異なる養分組成や養分量の養液が配置されてもよい。
・サーキュレータを設置して、支持レール２２０と養液槽２１０との間の空間の空気を常時撹拌してもよい。このようにすると、育成中の根の表面にカビの胞子が定着することを防止できる。
・苗床のストッパが、スポンジ以外の材料（例えばゴムやエラストマー製のシート等）で形成されてもよい。
・苗床のプレートにおいて、第一プレート２１ａと第二プレート２１ｂとを離間できない状態に保持するロックが設けられてもよい。このようにすると苗を設置した苗床を支持レール上に設置しやすくなったり、根の成長に伴って第一プレート２１ａと第二プレート２１ｂとが離間することを防止したりできる等の利点がある。

以上のように、本実施形態に係る水耕栽培装置１は、第一ユニット１００および第二ユニット２００が奏する様々な効果により、大量の根菜類を効率よく栽培および収穫することを可能にする。水耕栽培装置１は、現在実用化の途上にある根菜類の水耕栽培を十分採算がとれる形で実用化することに大きく寄与できる。
第一ユニット１００の奏する効果と第二ユニット２００が奏する効果とは、すべてが密接に関連しているわけではないため、第一ユニット１００および第二ユニット２００の一方のみを備えた水耕栽培装置も、根菜類の水耕栽培の実用化に十分寄与することが期待できる。

通常、根菜類の栽培において根は土中に埋まっているため、生育状況を監視することは困難であるが、水耕栽培装置１を用いた栽培においては、生育する根の周囲に土が存在しないため、生育状況を随時監視することができ、適切なタイミングで収穫することができる。

他の方法として、図８に示すように、苗床２０の下面にロードセル２３０を取り付けて支持レール２２０との間に位置させると、ロードセル２３０の出力値から苗床２０等の重量を差し引くことで、作物の重量をより正確に監視することができる。さらに、第二ユニット２００に設置したカメラで作物の根や葉を所定周期で撮影し、画像に基づいて算出した根の寸法とロードセル２３０で取得した重量との関係を予備的に求めておくことにより、取得した根や葉の画像だけを用いて作物の生育状況を一定の精度で把握することが可能になる。これを組み合わせることで、水耕栽培装置１を用いた作物生産への人員の関与を低減し、さらに効率よく生産することが可能になる。

本実施形態に係る水耕栽培装置１は、根菜類の効率よい生産だけでなく、葉物野菜や根菜類等の成長メカニズムの解明にも寄与できるという利点を有する。
例えば、作物に照射する光の強度や波長プロファイルと成長態様（成長量、成長速度等）との関係、養液に含有させる成分と成長態様との関係、温度や湿度と成長態様との関係などの、露地栽培では取得が極めて困難な多種多様な情報も、水耕栽培装置１により簡便に取得することができる。これらに基づいて得られた知見を利用して、水耕栽培装置における各種設定を最適化し、さらに生産効率を向上させたり、出荷のタイミングを調節したりすることも期待できる。
この利点は、上述したロードセル等の重量を検出する手段や、カメラ等の作物の画像を取得する手段を備えることにより、より顕著となる。発明者らがロードセルおよびカメラを用いて行った検討では、光の照射されていない時間帯において、大根の成長の度合いがより大きいことが明らかになっており、これは今までに知られていない知見である。この知見に基づいて、光を照射する時間帯と照射しない時間帯との配分や配置を、およそ２４時間周期の自然状態にとらわれずに最適化することで、露地栽培では実現不可能なレベルまで生産効率を上げられる可能性もある。

本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。

例えば、第一ユニットにおいては、複数の養液槽の養液の水面が階段状になっていれば必ずしも養液槽自体が階段状に配置されなくてもよい。ただし、養液槽が階段状に配置されることで、養液槽の底面も階段状に配置されることになり、ユニット全体としての養液の使用量を低減することができる上、苗床を次のユニットに移動させる際の根と養液槽との干渉量も低減できるなど、多くの利点があるため、養液槽を階段状に配置することで養液の水面を階段状とすることが好ましい。
第一ユニットにおいては、苗床１０が最初に設置されるセクションで苗床と養液水面との距離が最も短く、隣接するセクションに移るにつれて徐々に距離が増加していれば上述の効果を奏する。したがって、実施形態で示した態様の他、以下のような構成であってもよい。
・養液水面の高さがすべての養液槽で同一であるが、苗床が支持されるフレーム１１０の上面が、階段状に順次高くなっている
・フレーム１１０の上面が、階段状に順次高くなり、養液水面の高さが階段状に低くなっている
・養液水面の高さおよびフレーム１１０の上面がいずれも順次高くなっているが、フレーム１１０の上面の高さの増加量が養液水面の高さの増加量を上回っている
・養液水面の高さおよびフレーム１１０の上面がいずれも順次低くなっているが、養液水面の高さの減少量がフレーム１１０の上面の高さの減少量を上回っている

また、本発明に係る水耕栽培装置においては、図９に示すように、第二ユニット２００が垂直方向に複数積み重ねて配置されてもよい。これにより、単位床面積あたりの作物の収量を増加させることができ、露地栽培では不可能な水準まで向上させることも可能である。第一ユニット１００を垂直方向に複数積み重ねることももちろん可能であり、これにより第二ユニット２００に供給する苗をより効率よく生産することができる。

水耕栽培装置１の適用は、上述した大根には限られず、カブ、ゴボウ、西洋ニンジン、朝鮮人参等の他の根菜にも適用可能である。

１ 水耕栽培装置
１０ 苗床
２０ 苗床
１００ 第一ユニット（根伸長部）
１１０ フレーム（支持部）
１１１、１１２、１１３、１１４、１１５ 養液槽
２００ 第二ユニット
２１０ 養液槽
２２０ 支持レール

Claims (1)

1. 苗の根を伸ばすための根伸長部を備える水耕栽培装置であって、
   前記根伸長部は、
   内部に養液が配置されて一方向に並べて配置された複数の養液槽と、
   前記養液槽の上に配置される苗床を上面で支持する支持部と、を有し、
   前記複数の養液槽は、前記一方向の一方において最も高い位置に配置され、他方に向かって順次低くなるように配置され、
   前記養液槽の各々に配置された前記養液の水面が、前記一方向の一方から他方に向かって徐々に低くなる階段状となっており、
   前記養液槽の各々に配置された前記養液の水面と前記上面との距離が、前記一方向の一方から他方に向かって徐々に増加しており、
   前記苗床を前記養液槽に対して相対移動させることにより、苗の根が浸かる養液層を変更可能に構成されている、
   水耕栽培装置。