CN102626042A

CN102626042A - 植物培育光源单元和植物培育系统

Info

Publication number: CN102626042A
Application number: CN2012100237770A
Authority: CN
Inventors: 永关澄江; 川村达也; 松土龙夫
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2011-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2012-08-08
Also published as: JP2012161244A

Abstract

本发明提供在植物的培育中，可以供给充分的光量、可以微调光量和波长且维修性也良好的植物培育光源单元。其具备发出生长促进光的光源部(2)和包含使生长促进光透射的窗构件(31)的光透射部(3)；光源部(2)包含电极对列和高频电源(22)，该电极对列由配置在窗构件(31)的主面上、由电极板对构成的平行平板电极对(23)在与窗构件的主面平行的方向上多对排列而形成，该高频电源(22)在各平行平板电极对之间施加用于使作为光源的等离子体发生的高频。

Description

植物培育光源单元和植物培育系统

技术领域

本发明涉及植物培育光源单元和植物培育系统

背景技术

在人工光型植物工厂中，作为光源，使用荧光灯和钠灯、混合电极荧光管(HEFL)，最近，使用发光二极管(LED)等。基本上以白色光源进行栽培，但对植物来说，有促进其培育的最佳波长区域的光。

例如，在专利文献1中记载了照射植物和微生物等喜好或必须的最佳波长区域的光，实现健全高效的生物培育的生物培育用照明装置。

另外，在专利文献2中记载了通过组合红色LED和蓝色LED，得到促进植物培育的特定波长的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-70643号公报

专利文献2：日本特开2010-200746号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在LED的组合中，因为能够发光的波长被固定，所以波长的微调困难，配合培育阶段的波长调整变得实质上不可能，除此以外，因为每种植物有最佳波长组合，所以一旦单元化后的调整困难，使其具有能够对多种植物使用那样的通用性也很困难。

另外，关于发光强度也不能称其为充分，现在虽然可以进行叶类蔬菜的栽培，但是对于必须要有大光量的谷类栽培就很困难。

此外，在考虑植物工厂单元的大面积化的情况下和光源产生故障的情况下，还担心维修性差。

本发明是鉴于上述情况而作出的发明，提供可以供给充分的光量、可以微调光量和波长、且维修性也良好的植物培育光源单元和具备该植物培育光源单元的植物培育系统。

用于解决课题的方法

本发明第1方式涉及的植物培育光源单元是照射促进植物生长的生长促进光的植物培育光源单元，其具备发出上述生长促进光的光源部和包含使上述生长促进光透射的窗构件的光透射部；上述光源部包含电极对列和高频电源，上述电极对列由配置在上述窗构件主面上、由电极板对构成的平行平板电极对在与上述窗构件的主面平行的方向上多对排列而形成，上述高频电源在上述各平行平板电极对之间施加用于使作为光源的等离子体发生的高频。

本发明的第2方式涉及的植物培育系统是在管理的环境下培育植物的植物培育系统，其具备植物培育部、光源部和光透射部，上述植物培育部容纳所培育的植物，培育该植物，上述光源部与上述植物培育部邻接配置，发出促进上述植物生长的生长促进光，上述光透射部包含使上述生长促进光透射的窗构件，且设置在上述植物容纳部和上述光源部之间；上述光源部包含电极对列和高频电源，上述电极对列由配置在上述窗构件的主面上、由电极板对构成的平行平板电极对在与上述窗构件的主面平行的方向上多对排列而形成，上述高频电源在上述各平行平板电极对之间施加用于使作为光源的等离子体发生的高频。

发明的效果

根据本发明，就能够提供可以微调光量和波长，且维修性也良好的植物培育光源单元与具备该植物培育光源单元的植物培育系统。

附图说明

图1图1A是概略地表示具备本发明的一个实施方式涉及的植物培育光源单元的植物培育系统一个例子的立体图，图1B是表示沿着图1中1B-1B线的剖面的立体图。

图2是表示平行平板电极对的接线状态的一个例子的图。

图3是表示光源部水平剖面的一个例子的图。

图4是表示RF功率和光合成光量子束密度的关系的图。

图5是表示使用监控装置可以改变气体种类的光源部一个例子的平面图。

图6是表示能量再利用系统的一个例子的模块图。

图7是进一步详细地表示能量再利用系统一个例子的模块图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施方式。在该说明中，在全部的参照附图中，对于相同部分标注相同参照符号。

图1A是概略地表示具备本发明的一个实施方式涉及的植物培育光源单元的植物培育系统的一个例子的立体图。

如图1A所示，植物培育系统100具备容纳所培育的植物、培育该植物的植物培育部1和与植物培育部1邻接配置、发出促进植物生长的生长促进光的光源部2。在植物培育部1和光源部2之间设置着包含使从光源部2发出的生长促进光透射的窗构件的光透射部3。

在植物培育部1中，连接着监控装置11、送风机12以及给水机13，该监控装置11监控内部环境，例如温度、湿度和亮度等，该送风机12在植物培育部1的内部送入空气或温度经调节的空气，该给水机13给植物培育部1中所容纳的植物送水。

光源部2利用等离子体发光产生生长促进光，在植物培育部1的内部照射生长促进光。因此，在光源部2上连接真空泵21和RF电源(高频电源)22。

(光源部)

图1B是表示沿着图1中1B-1B线的剖面的立体图。

如图1B所示，光源部2具有配置在光透射部3的窗构件31的主面上的平行平板电极对23。并且，将平行平板电极对23在平行于窗构件31主面的方向上排列多个，形成平行平板电极对的列，从而可以得到在平行于窗构件31的主面的方向上扩展的、可以大面积统一照射的发光体。在图2中表示平行平板电极对23的接线状态的一个例子，在图3中表示光源部2的水平剖面的一个例子。

如图2所示，平行平板电极对23由与接地电位连接的接地电极23G和与RF电源22连接的高频施加电极23H构成。在本例中，交替地排列接地电极23G和高频施加电极23H。接地电极23G和高频施加电极23H之间，构成为使等离子体发生的等离子体发生空间24。接地电极23G和高频施加电极23H的相隔距离可以选定各种值，在本例中设为80mm。如果相隔距离过大，则等离子体发生变得困难，另外，如果过小，则由于作为光源的发光效率降低，所以希望选定其间的相隔距离。

如图3所示，等离子体发生空间24的水平剖面形状为具有短轴、长轴的矩形形状。另外，在本例中，在等离子体发生空间24的长轴方向的途中设置电介质部25。通过在长轴方向的途中设置电介质部25，等离子体发生空间24在长轴方向的途中被分割。从形状上来看，通过将上述等离子体发生空间24在长轴方向的途中分割，就能够抑制在等离子体发生空间24中发生的驻波，从而可以在等离子体发生空间24的全部区域使等离子体均匀发光。例如，作为等离子体发生空间24的长轴方向的长度，从能够抑制驻波发生的观点出发，优选为500mm以上、1000mm以下的范围。另外，如果没有发生驻波的担忧，也可以不设置电介质部25。

在等离子体发生空间24的内部封入或供给用于使等离子体发生的气体。作为用于使等离子体发生的气体，能够列举氦气(He)、氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)和氙气(Xe)等稀有气体，除此以外还能够列举氢气(H₂)、氧气(0₂)、氮气(N₂)和四氟化碳气体(CF₄)等。这些气体既可以单独使用，也可以根据用途混合使用。另外，也可以与具有其它目的的这些以外的气体混合使用，或为了方便即使在与其它气体混合的状态下，只要其它气体不对植物培育产生障碍，也可以不特别精制地直接在与其它气体混合的状态下使用。其中，特别是氮气，等离子体化时发出的光中包含对植物培育的最佳波长区域，同时容易获得且廉价，在大气中也大量含有故而根据情况也可以使用大气使其发光，因此在植物工厂中作为用于生成发光源的等离子体的原料气体的实用性高。等离子体发生空间24的内部压力由真空泵21适当调节。

本例的光源部2为等离子体发光型。因此，通过改变在平行平板电极对23上施加的RF功率，就能够根据植物种类和培育阶段将光源部2发出的光量改变为最佳的光量。

图4是表示RF功率和光合成光量子束密度(Photosynthetic PhotonFlux density：以下略记为PPF)的关系的图。图4所示的关系为将作为等离子体发生的原料气体的氮气以一定流量供给等离子体发生空间24，将等离子体发生空间24的压力分别调整为120mTorr、200mTorr和600mTorr时的关系。PPF是距离等离子体发生部约15cm附近的值。

如图4所示，与等离子体发生空间24的压力无关，如果使施加的RF功率上升则PPF(光量)就显示上升的倾向。在图4表示的例子中，等离子体发生空间24的压力为120mTorr时，如果使RF功率在0.5kW～1.5kW的范围变化，则就能够使PPF在55μmol m^-2s^-1～180μmol m^-2s^-1的范围变化。同样地，等离子体发生空间24的压力为200mTorr时，如果使RF功率在0.5kW～1.8kW的范围变化，就能够使PPF在45μmolm^-2s^-1～225μmol m^-2s^-1的范围变化，等离子体发生空间24的压力为600mTorr时，如果使RF功率在0.5kW～1.8kW的范围变化，就能够使PPF在25μmol m^-2s^-1～125μmol m^-2s^-1的范围变化。

这样，光源部2能够通过调整RF功率，简单地调整光量。而且光量调整幅度大也是优点之一。此外，在荧光灯时，距离发光部5cm附近的PPF为200μmol m^-2s^-1，10cm附近的PPF为130μmol m^-2s^-1，20cm附近的PPF为90μmol m^-2s^-1。

另外，如图4所示，能够理解为如果提高等离子体发生空间24内的压力，就有PPF(光量)减少的倾向。因此，在想将PPF(光量)抑制低时，提高等离子体发生空间24内的压力即可。相反，想提高PPF(光量)时，降低等离子体发生空间24内的压力即可。

这样，光源部2通过调整等离子体发生空间24的压力，就能够调整光量。

与光量同样，对于波长根据植物种类和培育阶段也有适合的波长区域或使培育促进的波长区域。因此，光源部2发出光的波长根据培育植物的种类和植物培育阶段中的至少任意一个来设定即可，但在以往一直使用的荧光灯型和LED等光源中，必须根据波长更换光源。但是本例的光源部2即使不更换光源部2，仅仅通过改变在等离子体发生空间24中封入或供给的气体种类，就能够改变光的波长。

而且，因为即使不更换光源部2也能够改变光的波长，所以例如，可以使用监控装置11识别植物的培育阶段，例如，识别发芽、苗、成株等，根据各阶段自动地改变在等离子体发生空间24中封入或供给的气体种类来改变光的波长，或者改变RF功率或等离子体发生空间24的压力来改变光量。

在图5中表示使用监控装置11可以改变气体种类的光源部2的一个例子。

如图5所示，将从气体供给部26供给气体的气体供给管26a连接在等离子体发生空间24的一端，在另一端连接气体排气管26b。气体排气管26b连接在作为气体排气部的真空泵21上，使用真空泵21经过气体排气管26b从等离子体发生空间24将气体排出。

监控装置11监控位于光源部2之下的植物培育部1内的植物的状态。例如，在发芽阶段中植物发芽后，为了达到适合于培育阶段或促进培育的波长，控制气体供给部26的阀门V(V1～V9)，将选择的气体流向等离子体发生空间24。与此同时，使真空泵21运转，将等离子体发生空间24中原有的气体排出。由此，等离子体发生空间的气体，从前一阶段例如发芽阶段的气体置换为新的阶段例如培育阶段的气体，能够通过从新的阶段气体的等离子体的发光，供给具有适合新的阶段波长的光。

此时，在不仅想要改变气体种类还希望改变光量时，如果调整RF功率或排气量中的至少任意1个，光量就能够变化。

另外，即使在培育阶段中，从芽生长为苗时，再从苗生长为成株时，也同样改变波长和光量即可。

根据具备这样的光源部2的植物培育光源单元，就能够得到如下优点：

(1)因为不是如LED型光源或荧光灯那样的点光源或线光源的集合型，而是大面积统一照射型的发光体，所以，不良光源的维修容易。

(2)光量和波长的调整能够仅通过改变RF功率、等离子体发生空间24的压力、在等离子体发生空间24中封入或供给的气体种类来调整。而且，波长可以根据气体种类发生很大变化。

(3)因为能够得到高光量，所以，也可以培育谷物和豆类。

因此，根据本实施方式，就能够得到供给充分的光量、可以微调光量和波长且维修性也良好的植物培育光源单元。

另外，关于图5的构成，由气体供给部和气体排出部进行气体更换的上述说明，是以气体更换后将气体封闭为前提的，但也可以不封闭气体同时进行气体供给和排出通过流动气体使等离子体发生。此时，通过控制气体供给流量、气体的排出速度或其两者使其连续变化，能够使压力或在混合有多种气体时的气体种类的比例等连续地变化，能够边使光的强度或波长区域连续地变化，边在植物上照射光。特别适合于必须以短周期给予光周期性的连续变化的情况。

(植物培育部)

接着，说明植物培育系统具备的植物培育部1。

如图1B所示，在植物培育部1的容纳并培育植物的植物栽培室14的内壁安装光电转换装置，在本例中安装光电池板15。植物培育系统100，使用光电池板15回收从光源部2发出的光(剩余光量)，使电力产生。产生的电力与从外部供给的电力进行系统互连。由此，实现植物培育系统和具备该植物培育系统的植物工厂整体的省电力化。

在本例中，为了更加提高回收效率，还在平行平板电极对23的与窗构件31相对侧也安装光电池板16，从而将在植物栽培室14以外所照射的光也进行回收。

图6是表示植物培育系统100具备的能量再利用系统的一个例子的模块图。

如图6所示，从光源部2发出的光照射在光电池板15、16上。一旦在光电池板15、16上照射光，就产生直流电(DC)。直流电供给功率调节器41。功率调节器41将所供给的直流电转换为与从外部供给的电力相同的交流电(AC)。所转换的交流电供给分电盘42，在这里，与外部电力(AC)系统互连。来自分电盘的交流电用作光源部2上附属的真空泵21和RF电源22的电力，以及用作功率调节器41的电力。另外，在电力的再利用目标的仪器等由直流运转时，也可以将在光电池板上产生的直流电不经过上述功率调节器，直接在这些仪器中单独供给或与从外部输入的直流电一同供给。

图7是进一步详细地表示植物培育系统100具备的能量再利用系统的一个例子的模块图。

来自分电盘42的交流电还用作监控装置11、送风机12、给水机13等植物培育系统上附属设备的电力，以及光源部2、控制这些附属设备的控制器43的电力和工厂内的电力。

这样，通过回收从光源部2发出的光使电力产生，就能够实现植物培育系统和具备该植物培育系统的植物工厂整体的省电力化。如果实现了省电力化，就能够成为环境方面优异的植物工厂，并且能够有助于降低所培育的植物的生产成本。

另外，光源部2在发光的同时也发热。植物培育系统100也再利用该热。

如图1B所示，在容纳光源部2的外箱27中，冷却光源部2的冷却水形成流动的水冷管28。植物培育系统100，在植物栽培室14的空调中利用流过水冷管28的冷却水。具体而言，如图7所示，将水冷管28连接在热泵式空调设备51上，由热泵式空调设备51将由热交换被调温的空气送到送风机12。由此，将植物培育部1的植物栽培室14内设为冷房。当然，不仅可以设为冷房，还可以设为暖房。

以上，根据一个实施方式说明了该发明，但本发明不受上述一个实施方式限定，能够进行各种变形。另外，本发明的实施方式中，上述的一个实施方式也不是唯一的实施方式。

例如，在上述的一个实施方式中，设为一个植物培育部1，但也能够设置多个植物培育部1。

在设置多个植物培育部1时，例如，将一半的植物培育部1作为白昼设定(光源开)，将剩余一半的植物培育部1作为夜间设定(光源关)，也可以昼夜并列处理。由昼夜并列处理带来的优点是能够使高频电源经常运行，能够提高高频电源的工作效率。

另外，在上述的一个实施方式中，说明了光源单元在将温度等生长环境的全部进行完全管理的室内栽培中的使用，但也可以作为用于对进行露天栽培的蔬菜等辅助地或在夜间供给培育促进用光的光源使用。此时，如果设置太阳能电池板将剩余的发光转换为电力，在夜间能够灵活运用在使除霜的送风机运转等中，就能够设置为部分管理生长环境的生长系统。

另外，该发明在不脱离其要点的范围内能够进行各种变形。

符号说明

1植物培育部

2光源部

22高频电源

23平行平板电极对

24等离子体发生空间

25电介质部

Claims

1.一种植物培育光源单元，其照射促进植物生长的生长促进光，其特征在于：

其具备发出所述生长促进光的光源部、和

包含使所述生长促进光透射的窗构件的光透射部，

所述光源部包含电极对列和高频电源，

所述电极对列由配置在所述窗构件的主面上、由电极板对构成的平行平板电极对在与所述窗构件的主面平行的方向上多对排列而形成，所述高频电源在所述各平行平板电极对之间施加用于使作为光源的等离子体发生的高频。

2.如权利要求1所述的植物培育光源单元，其特征在于：

所述电极对列的构成为被施加高频的高频施加电极和接地电极交替排列。

3.如权利要求1或2所述的植物培育光源单元，其特征在于：

其具有多列所述电极对列，在各电极对列之间设置电介质部。

4.如权利要求1～3中任一项所述的植物培育光源单元，其特征在于：由所述高频生成所述等离子体的原料气体被封入所述光源部。

5.如权利要求1～3中任一项所述的植物培育光源单元，其特征在于：其具备气体供给部和气体排出部，所述气体供给部与所述光源部连接，用于将由所述高频生成所述等离子体的原料气体供给所述光源部，所述气体排出部与所述光源部连接，用于将由所述高频生成所述等离子体的原料气体从所述光源部排出。

6.如权利要求4或5所述的植物培育光源单元，其特征在于：

所述原料气体为氮气或包含氮气的混合气体。

7.一种植物培育系统，其在管理的环境下培育植物，其特征在于：

具备植物培育部、光源部和光透射部，

所述植物培育部容纳所培育的植物，培育该植物，

所述光源部与所述植物培育部邻接配置，发出促进所述植物生长的生长促进光，

所述光透射部包含使所述生长促进光透射的窗构件，并设置在所述植物容纳部和所述光源部之间；

所述光源部包含电极对列和高频电源，

8.如权利要求7所述的植物培育系统，其特征在于：

具有用于回收所述生长促进光的剩余光的光电转换装置，还具有将从该光电转换装置发生的电力供给控制所述植物培育环境的环境控制部的电力供给设备。