(57)【要約】【課題】  成長促進用電界印加と殺菌用電界印加との両立により、必要な電源を小型化し、さらに培養液の組成を変化させること無く成長促進と殺菌とが可能である植物成長促進装置を提供する。【解決手段】  電圧ピーク値から５０％以上の電圧を保持する時間が５マイクロ秒以下の短パルス電圧を印加できる電源１０５と、電源に対する一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７との接続を切り替えるスイッチ１０８を有し、成長促進用電極間には植物１０１の根１０１ａが存在し、殺菌用電極間には植物の根が存在しない。【選択図】図１
2018061456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物を栽培する培養液と前記植物の根を収容する容器と、
電界を印加する電源と、
前記容器内の前記培養液内に配置されかつ前記電源と接続されて前記電界を印加可能な一対の成長促進用電極と、
前記培養液を挟んで配置されかつ前記電源と接続されて前記電界を印加可能な一対の殺菌用電極と、
前記電源に対する前記成長促進用電極と前記殺菌用電極との接続を切り換えるスイッチとを有し、
前記電源は、電圧ピーク値から５０％以上の電圧を保持する時間が５マイクロ秒以下とする短パルスの電圧印加が可能であって、
前記成長促進用電極は、前記電界を印加するエリアに前記植物の前記根が存在する位置に配置され、かつ、
前記殺菌用電極は、前記電界を印加するエリアに前記植物の前記根が存在しない位置に配置されている、植物成長促進装置。
【請求項２】
前記一対の成長促進用電極間の電界強度は０．１〜１．５ｋＶ／ｃｍであって、
前記一対の殺菌用電極間の電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ以上である、請求項１記載の植物成長促進装置。
【請求項３】
前記電源は、コンデンサの放電を利用して成長促進用のパルス幅を有するパルス波形と殺菌用のパルス幅を有するパルス波形とをそれぞれ生成しており、
前記一対の成長促進用電極の電極間距離の値を前記一対の成長促進用電極のうちのいずれか一方の表面積の値で割りかつ前記成長促進用のパルス幅の値で割った値が、前記一対の殺菌用電極の電極間距離値を前記一対の殺菌用電極のうちのいずれか一方の表面積の値で割りかつ前記殺菌用のパルス幅の値で割った値のプラスマイナス２５％以内である、請求項１または２に記載の植物成長促進装置。
【請求項４】
前記培養液を前記容器外に排出したのち、再び、前記容器内に供給するように前記培養液を循環させる循環装置をさらに有し、
前記殺菌用電極は、前記循環装置から前記培養液を前記植物の前記根を入れるための前記容器に前記培養液を供給するまでの経路に設置されており、かつ、前記容器の前記培養液の液面より上部に設置されている、請求項１または２または３に記載の植物成長促進装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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植物成長促進装置に関するものであり、成長促進用の電界印加と殺菌用の電界印加との両立により、必要な電源を小型化することで、植物を育成するコストの低減を実現する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、育成期間の短縮及び設備償却費など運転ランニングコストの低減によって、植物を育成するコストを低減することが必須となる。さらに、水耕栽培では、管理された空間ではあるが、養液を循環させて使用するケースが多く、有害な菌又はアオコなどの発生を抑制するために、殺菌装置を導入することが多い。
【０００３】
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、植物の根に電気刺激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）。また、殺菌装置としては、紫外線、オゾン、又は光触媒などを用いた装置が用いられている。図３は、従来の技術を組み合わせて、植物の水耕栽培で、成長促進のための電気刺激と殺菌とを実現する装置を示す図である。図３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から出力されている平行平板電極５５の間で電界を行い、培養液５２を介して植物５０の根に電気刺激を与え、植物成長促進を行っている。一方で、循環装置５６を用いて、培養液５２を循環するとき、殺菌装置５７を循環経路に設置し、殺菌装置５７で殺菌済みの培養液５２を栽培容器５３に供給する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】山田雄太、園田剛士、春田大輝、王斗艶、浪平隆男、秋山秀典、谷口雅彦「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生育制御」  電気学会基礎・材料・共通部門大会の抄録集、平成２７年３月、ｐ．３２５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
水耕栽培で、図３に示すように、植物の根に電界を与えて成長促進を行う装置と殺菌装置とをそれぞれ設置することは、設備コストが高くなり、植物育成コストの上昇に繋がる。さらに、従来の殺菌装置では、オゾン及び光触媒は共に酸化する力が強く、培養液の組成が変化するため、別途、培養液の管理及び調整が必要となる。具体的には、マンガン又は鉄が酸化マンガン又は酸化鉄として析出する。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、成長促進用電界印加と殺菌用電界印加との両立により、必要な電源を小型化し、さらに培養液の組成を変化させること無く成長促進と殺菌とが可能である植物成長促進装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上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は、
植物を栽培する培養液と前記植物の根を収容する容器と、
電界を印加する電源と、
前記容器内の前記培養液内に配置されかつ前記電源と接続されて前記電界を印加可能な一対の成長促進用電極と、
前記培養液を挟んで配置されかつ前記電源と接続されて前記電界を印加可能な一対の殺菌用電極と、
前記電源に対する前記成長促進用電極と前記殺菌用電極との接続を切り換えるスイッチとを有し、
前記電源は、電圧ピーク値から５０％以上の電圧を保持する時間が５マイクロ秒以下とする短パルスの電圧印加が可能であって、
前記成長促進用電極は、前記電界を印加するエリアに前記植物の前記根が存在する位置に配置され、かつ、
前記殺菌用電極は、前記電界を印加するエリアに前記植物の前記根が存在しない位置に配置されている。
【発明の効果】
【０００８】
したがって、本発明の前記態様にかかる植物成長促進装置によれば、成長促進動作と殺菌動作とで同じ電源をスイッチで切り換えて使用することができるため、電源部材の共通共用化及び小型化が可能となり、設備コストが低減できる。さらに、培養液の組成を変化させること無く成長促進動作と殺菌動作とが可能であり、培養液の管理及び調整コストが削減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における植物成長促進装置の構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態における植物成長促進装置の構成図
【図３】従来の植物成長促進装置の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１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、少なくとも、容器１０４と、電源１０５と、一対の成長促進用電極１０６と、一対の殺菌用電極１０７と、スイッチ１０８とを備えている。
【００１１】
図１において、植物１０１の根１０１ａは、パネル１０２を介して、培養液１０３が入っている容器１０４の培養液１０３内に存在している。電界印加電源の一例としての短パルス電圧印加電源１０５にて植物成長促進用の電界印加を行うため、短パルス電圧印加電源１０５に接続可能な一対の成長促進用電極１０６を、容器１０４の中で植物１０１の根１０１ａを挟むように設けている。一対の成長促進用電極１０６間には成長促進電界エリア１１０が形成され、成長促進電界エリア１１０内に植物１０１の根１０１ａが位置している。合わせて、短パルス電圧印加電源１０５にて培養液１０３の殺菌用の電界印加を行うため、短パルス電圧印加電源１０５に接続可能な一対の殺菌用電極１０７を容器１０４の中に培養液１０３を間に介在させるように設けている。一対の殺菌用電極１０７間には殺菌電界エリア１１１が形成されるが、殺菌電界エリア１１１内には植物１０１の根１０１ａが位置しないようにしている。図１では、一対の殺菌用電極１０７を容器１０４の中に設置しているが、培養液１０３を殺菌できれば、必ずしも容器１０４の中に一対の殺菌用電極１０７を配置しなくても良い。
【００１２】
一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７とは、それぞれ、スイッチ１０８を介在させて、短パルス電圧印加電源１０５と接続される。具体的には、例えば、図１において、一対の成長促進用電極１０６の一方の電極（左側電極）と一対の殺菌用電極１０７の一方の電極（左側電極）とは、一方の（左側の）第１スイッチ１０８を介在させて、短パルス電圧印加電源１０５の正極と接続されている。また、一対の成長促進用電極１０６の他方の電極（右側電極）と一対の殺菌用電極１０７の他方の電極（右側電極）とは、他方の（右側の）第２スイッチ１０８を介在させて、短パルス電圧印加電源１０５の負極と接続されている。
【００１３】
制御装置１０９は、第１及び第２スイッチ１０８と短パルス電圧印加電源１０５とに接続されている。よつて、制御装置１０９にて第１及び第２スイッチ１０８を切り替え制御して、短パルス電圧印加電源１０５に対する、一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７との接続を切り替えることにより、植物成長促進動作と殺菌動作とを切り替えて、植物成長促進動作を行っている時間以外で殺菌動作を行うように制御装置１０９で制御する。
【００１４】
植物成長促進動作は、一対の成長促進用電極１０６間に形成される成長促進電界エリア１１０に植物１０１の根１０１ａが存在する状態で、例えば、４００ナノ秒前後の短パルスの電圧を、１Ｈｚ程度の繰り返し周波数で１００〜１０００ショット程度、印加する。
殺菌動作は、一対の殺菌用電極１０７間に形成される殺菌電界エリア１１１に、水が電気分解しない５マイクロ秒以下の短パルスで電圧印加を行う。水の電気分解を起こさないパルス幅は、電圧ピーク値から５０％以上の電圧を保持する時間として定義した場合に２〜３マイクロ秒程度であるが、パルス波形ばらつきの影響も加味し、必ず５マイクロ秒以下として制御装置１０９で管理する。このように、電圧ピーク値から５０％以上の電圧を保持する時間が５マイクロ秒以下とする短パルスの電圧印加が可能なように管理することで、殺菌動作時に、培養液１０３中の水の電気分解による養液成分に変化が無いように制御装置１０９でコントロールすることができる。
【００１５】
なお、植物成長促進動作は、前述の通り、好適なパルス幅は４００ナノ秒程度であり、５マイクロ秒以下の電圧印加にて可能である。このとき、殺菌電界エリア１１１に植物１０１の根１０１ａが入っていると根１０１ａが死んでしまうため、必ず殺菌電界エリア１１１に植物１０１の根１０１ａが入らない位置に一対の殺菌用電極１０７を配置する。なお、図１では、第１及び第２スイッチ１０８は、一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７とで、それぞれ２個ずつ配置しているが、一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７との間で、それぞれの距離が充分離れているなど、培養液１０３による導通の影響が少ない場合は、スイッチ１０８の数を半分にすることができる。このとき、短パルス電圧印加電源１０５で高電圧が印加されている側の第１スイッチ（図１では左側のスイッチ）１０８を無くして一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７とを短絡しておき、短パルス電圧印加電源１０５で接地されている側の第２スイッチ（図１では右側のスイッチ）１０８のみで接続制御を行うことで、スイッチ１０８を小型化することができる。
【００１６】
なお、一例として、一対の成長促進用電極１０６間の成長促進電界エリア１１０の電界強度が０．１〜１．５ｋＶ／ｃｍとなる範囲内で、短パルス電圧印加電源１０５の印加電圧値と一対の成長促進用電極１０６間の距離とを設定することで、植物成長促進効果を得ることができる。また、一例として、一対の殺菌用電極１０７間の殺菌電界エリア１１１の電界強度が１０ｋＶ／ｃｍ以上となるように、短パルス電圧印加電源１０５の印加電圧値と一対の殺菌用電極１０７間の距離とを設定することで、殺菌効果を得ることができる。
【００１７】
さらに、短パルス電圧印加電源１０５は、成長促進動作と殺菌動作とで共用化するため、印加する電圧のパルス幅が成長促進動作と殺菌動作とで同じ場合は、負荷の抵抗値を成長促進動作と殺菌動作とで合わせておく（例えば、成長促進動作と殺菌動作との負荷の抵抗値の差が±１０％以内の許容誤差範囲内ならば、成長促進動作と殺菌動作とが合っているとする）と、効率が良い。なお、短パルス電圧印加電源１０５が、コンデンサの放電を利用して成長促進用のパルス幅を有するパルス波形を有するパルス波形と殺菌用のパルス幅を有するパルス波形とをそれぞれ生成する場合は、短パルス電圧印加電源１０５のコンデンサと負荷の抵抗のＣＲ特性とで放電カーブが決まる。
【００１８】
なお、一対の成長促進用電極１０６の電極間距離の値を一対の成長促進用電極１０６のうちのいずれか一方の表面積の値で割り、かつ成長促進用のパルス幅の値で割った第１の値と、一対の殺菌用電極１０７の電極間距離値を一対の殺菌用電極１０７のうちのいずれか一方の表面積の値で割りかつ殺菌用のパルス幅の値で割った第２の値と同じにすることで、成長促進動作と殺菌動作とでパルス幅が異なっても、成長促進動作と殺菌動作とで、パルス幅で正規化した場合で同等のＣＲ特性を得ることができる。このとき、第１の値と第２の値との差がプラスマイナス２５％以内の値であるとき、これらの値を同じ値とみなし、ばらつきを制御装置１０９でコントロールする。ちなみに、成長促進動作と殺菌動作とでパルス幅が全く同じ場合は、短パルス電圧印加電源１０５に接続される一対の成長促進用電極１０６と一対の殺菌用電極１０７とのみを切り換えて、切り換えた一対の電極に対して短パルス電圧印加電源１０５から同じパルス波形の電圧を印加することで、成長促進動作と殺菌動作とを切り換えることができる。
【００１９】
したがって、前記第１の実施の形態にかかる植物成長促進装置によれば、成長促進動作と殺菌動作とで同じ電源１０５を第１及び第２スイッチ１０８で切り換えて使用することができるため、電源部材の共通共用化及び小型化が可能となり、設備コストが低減できる。さらに、前記植物成長促進装置によれば、培養液１０３の組成を変化させること無く成長促進動作と殺菌動作とが可能であり、培養液１０３の管理及び調整コストが削減できる。
【００２０】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の第形態における植物成長促進装置の構成図である。
図２の植物成長促進装置は、第１の実施の第形態の植物成長促進装置に、ポンプなどの循環装置１１２と、培養液回収パイプ１１６と、培養液供給パイプ１１３と、培養液供給部１１４とをさらに備えている。
【００２１】
培養液回収パイプ１１６は、容器１０４と循環装置１１２とを接続して、容器１０４から循環装置１１２に培養液１０３を排出して回収する。
【００２２】
培養液供給パイプ１１３は、循環装置１１２と培養液供給部１１４とを接続して、循環装置１１２から培養液供給部１１４に培養液１０３を供給する。
【００２３】
培養液供給部１１４は、培養液供給パイプ１１３の容器側の先端に配置され、内部に一対の殺菌用電極１０７を配置して、下端開口が容器１０４の上面に対向するように配置されている。
【００２４】
よって、循環装置１１２を用いて、培養液供給パイプ１１３から培養液供給部１１４を経由し、供給培養液水流１１５の形で培養液１０３を容器１０４に供給し、容器１０４から培養液回収パイプ１１６を経て循環装置１１２に培養液１０３を戻す構成となっている。このとき、培養液供給部１１４の開口の下端位置は、容器１０４内の培養液１０３の液面より高い位置にしておく。さらに、一対の殺菌用電極１０７を培養液供給部１１４の中に配置しておく。
【００２５】
このような構成によって、一対の殺菌用電極１０７間の殺菌電界エリア１１１は、植物１０１の根１０１ａより上部に位置することになるため、殺菌電界エリア１１１に植物１０１の根１０１ａが入ることは無い。さらに、殺菌直後の培養液１０３を容器１０４に供給することができる。
【００２６】
以上で説明した第２の実施の形態における植物成長促進装置により、電源１０５から印加する電圧のパルス幅が同じ場合は、電極１０６，１０７の配置又は表面積を予め異ならせて構成するだけで、全く同一のパルス電圧を電極１０６，１０７のそれぞれに印加することで、成長促進動作と殺菌動作との動作切り換えがスイッチ１０８で可能になる。電極１０６，１０７の電極間距離と表面積との比が一定であれば、電極１０６，１０７の配置又は表面積が変わっても、同一のパルス電圧を印加することができる。成長促進動作と殺菌動作とでパルス幅を変える場合も、電圧電流の挙動は成長促進動作と殺菌動作とで同等となり、電源１０５としては、電圧は同じで。パルス幅を変えるのみでよい。さらに、培養液１０３の液面より高い位置から循環培養液を供給し、その供給口端部に一対の殺菌用電極１０７を設けるといった簡単な構成で、一対の殺菌用電極１０７で殺菌した直後の培養液１０３の供給が可能となる。
【００２７】
前記第２の実施の形態にかかる植物成長促進装置によれば、培養液１０３の液面より高い位置から循環培養液を供給し、その供給口に一対の殺菌用電極１０７を設けることで、殺菌直後の培養液１０３の供給が簡単な構成で可能となる。
【００２８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の前記態様にかかる植物成長促進装置によれば、成長促進動作と殺菌動作とで、同じ電源で同一電圧を印加し、スイッチで切り換えて使用することができるため、電源部材の共通共用化及び小型化が可能となり、設備コストが低減できて、水耕栽培での育成期間が短縮でき、植物育成コストが低減され、水耕栽培への電気刺激による成長促進技術の導入が加速され、全世界の食料問題解決に寄与することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０１    植物
１０１ａ    根
１０２    パネル
１０３    培養液
１０４    容器
１０５    短パルス電圧印加電源
１０６    成長促進用電極
１０７    殺菌用電極
１０８    スイッチ
１０９    制御装置
１１０    成長促進電界エリア
１１１    殺菌電界エリア
１１２    循環装置
１１３    培養液供給パイプ
１１４    培養液供給部
１１５    供給培養液水流
１１６    培養液回収パイプ
【図１】
2018061456.tif 000003
【図２】
2018061456.tif 000004
【図３】
2018061456.tif 000005