JP2005328718A - 植物栽培装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度栽培が可能で、電力の利用効率が改善された採算的な植物栽培装置の提供。
【解決手段】 少なくとも一部が光透過性を有する空間8を区画形成する壁体と、前記壁体が区画形成する空間8内に着脱自在型に配置された植物栽培ステージ2の支持体1と、前記空間8内で植物栽培ステージ2の支持体1に対峙して配置され、植物栽培ステージ2側を光照射する光源を備える光源パネル9と、前記光源パネル9の光照射を制御する光源制御機構10とを有する植物栽培装置であって、前記光源パネル9が格子状もしくは複数の直列な摺動路を有する枠体12に、平板状光源11を千鳥状に装着・配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図2

Description

本発明は、植物栽培装置に係り、さらに詳しくは人工光源の照射効率の向上、及びコンパクト化を図った省エネルギー型の植物栽培装置に関する。

野菜類の生産、育苗、植物の観賞あるいは接ぎ木等において、省エネルギー化、無農薬化、生産性の向上、省スペース化等を目的として、人工光源を利用する植物栽培手段が広く採用されつつある。即ち、太陽光を利用する植物の自然栽培では、例えば日照量（たとえば日照不足）等の変動要因が大きく左右し、生育させた植物の品質にバラツキを生じ、あるいは生産量等に影響する。

これに対して、人工光源を利用する植物栽培では、日照量などを任意に制御できるので、所要の生育環境を人工的に造ることができる。つまり、日照量乃至日照時間等の変動要因を大幅に低減・抑制できるので、一定の品質を確保することが可能になるだけでなく、寒冷地や不毛地域での植物栽培も行える。また、室内的な生育手法であるため、無農薬で、安全性の高い野菜類の生産・供給、観賞手段などの提供を行える。なお、この種の装置は、植物栽培以外でも魚・小動物・虫等の育成にも使用できるし、また、医学・薬学・生化学等の実験でも利用される。

図9は、従来の植物栽培装置の基本的な構成を示す断面図である。図9において、1は植物栽培ステージ2の棚を構成する支持板、3は前植物栽培ステージ2に対峙して配置され、植物栽培ステージ2に光照射する光源パネル（光源ユニット）である。ここで、植物栽培ステージ2は、一般的に、培養容器4の載置・回収の操作性等を考慮して奥行き40〜50cm程度に、また、設置スペースや操作性・強度等を考慮して間口（幅）を120cm程度に設定されている。一方、光源パネル3は、前記植物栽培ステージ2の形状にほぼ対応した天井棚5及び植物栽培ステージ2の支持板1に、それら天井棚5等の長辺方向と平行させて、例えば冷陰極蛍光ランプ６を装着配置した構成を採っている。

具体的には、図10に斜視的に示す如く、支柱7による支持で天井棚5及び多段的に配置した植物栽培ステージ支持板1に、所要の光放射量（例えば植物栽培ステージ2面での最高光量子束密度分布40μmｏｌ／ｍｓ）を得るために、長さ120ｍｍ、外径32ｍｍの蛍光ランプ（40W）6を22．5cm間隔で2本装着して光源パネル3化している。ここで、植物栽培ステージ2面と蛍光ランプ6との距離は、放射光の均一性確保や熱の影響低減のために、一般的に、40〜50 cm程度に設定される。なお、図示を省略してあるが、通常、植物栽培ステージ2領域8は、開閉可能な側壁（壁体）で外部と区画されている。また、各光源パネル3の駆動制御を行ための光源制御機構が、例えば天井棚（上棚板）5等に付設されている。

さらに、要すれば、蛍光ランプ6の放射光を効率よく利用するために、リフレクターを付設している。また、植物栽培ステージ支持体1面上に載置される植物栽培ステージ2は、例えばアクリル樹脂板やポリウレタン樹脂発泡体で作られ、生育させる植物の根元部を挿入・装着できる構成となっている。そして、植物栽培ステージ2に所要の液肥や新鮮な空気を供給するため、例えば合成樹脂製の液肥収容槽を下側に設置した構成を採ることもある。

ところで、上記植物栽培装置によって、たとえば野菜類の生育乃至生産で採算を採るためには、高い栽培密度の確保、及び人工光源である蛍光ランプ6の利用効率のアップなどが不可欠である。つまり、野菜類等の人工的な生育・生産の採算化に当たっては、先ず、植物栽培ステージ2の多段的な設置による高栽培密度化乃至省スペース化が前提となり、これによって生産性の向上も図られる。

一方、植物の育成期間の短縮、あるいは照射光量の有効利用による採算化では、照射間隔（植物栽培ステージ2と光源パネル3との間隔）を比較的小さく設定し、かつ均一な光照射を行えること、蛍光ランプ6の発熱量が比較的少ないこと、より有効な蛍光ランプ6の発光利用や省電力化等が望まれる。

しかしながら、蛍光ランプ6として、入力電力40W、長さ120cmの蛍光ランプを使用する場合は、所要光量に応じて蛍光ランプ6の本数を選択する必要がある。即ち、蛍光ランプ1本（40W）で光量が不足の時は2本（80W）、2本（80W）で光量が不足の時は3本（120W）のように設定する。この蛍光ランプ6の設定・装着の本数選択は、小刻みな光量の調整が必然的に困難化して、必要以上の電力で蛍光ランプ6を点灯する恐れを招来し、省電力という点で問題を提起する。

また、蛍光ランプ6の入力を大きくし、各植物栽培ステージ2に対する全体として所要の放射光量を確保した場合は、構造的な簡略化を図れるが、植物栽培ステージ2面における光量子束密度分布のバラツキを発生する。つまり、蛍光ランプ6の配置が局部的化となり易いので、植物栽培ステージ2面の温度、及び照射光量の均一性を確保することが困難で、植物栽培の品質低下あるいは生産性の低下を招来する。なお、標準的な培養棚（培養ステージ）1の光分布は、最大・最小の照度差が40％程度であり、光量調整にも限度があるため、装着・配置する光源数の増加等を要し、構成の煩雑化や大型化を招来する。

上記のように、従来の人工的な植物栽培装置の場合は、電力の浪費を招来し易く、省エネルギー面でコスト問題がある。さらに、蛍光ランプ6が放射する熱線の影響低減、あるいは均一な光照射面積確保のために、植物栽培ステージ2に対する間隔を比較的大きく設定することになり、植物栽培装置の高栽培密度化ないし省スペース化が阻害される。なお、蛍光ランプ6が熱陰極蛍光ランプの場合に対し、冷陰極蛍光ランプの場合は、管径が小さく、ランプ寿命も長いこと、熱陰極であるため、点灯回路が簡略化する等の利点がある。

本発明は、このような事情に対処してなされたもので、高密度栽培が可能で、電力の利用効率が改善された採算的な植物栽培装置の提供を目的とする。

本発明の植物栽培装置は、ほぼ水平に植物栽培容器が配置された植物栽培棚と、この植物栽培棚に対向して配置され、この植物栽培棚に光を照射する光源パネルとを備え、この光源パネルは、複数個の平板状光源が、ほぼ同じ平面内に分散配置されていることを特徴とするものである。

また、上記本発明の植物栽培装置においては、前記光源パネルは、少なくも一対の平行な枠体間に、前記平板状光源が移動可能に装着されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、複数の光源パネルにより、均一な光分布により、植物培養容器が置かれた部分を選択的に照射できるため、電力の利用効率がよく、生産効率も向上可能な植物栽培装置が得られる。

ここで、光透過性を有する所要の空間を区画形成する筐体は、例えばアクリル樹脂板などの透光性樹脂板、あるいはガラス板により側壁が構成され、その厚さは、区画形成する空間の大きさ（容量）、要求される機械的な強度にもよるが、一般的に、厚さは２〜5ｍｍ程度である。そして、前記空間を区画形成する側壁の全体を透光性板で構成してもよいが、例えば光源パネルを配置する天井面、植物栽培ステージ支持体、側壁面の一部あるいは底壁面は、非透光性板等で構成してもよい。勿論、所要の空間形成に当たっては、例えば鉄製の支柱等によって、適宜補強する構成も採られる。

本発明において、植物栽培ステージ面を光照射する光源パネルは、例えば比較的細管型の蛍光ランプ、半導体発光素子（ＥＬＤ）等と平板状の導光板もしくは光拡散板とを組み合わせ構成した平板状光源を、植物栽培ステージ面に対して千鳥足状に配置する構成が採られる。即ち、光源パネルは、区画形成された空間容量を考慮し、植物栽培ステージの構造や段数、段間隔等に応じて決められる一方、光照射する植物栽培ステージの面積、要求される光量子等に応じて平板状の光源を選び、これをほぼ一定の間隔で分散的に配置・装着した構成が採られる。

さらに言及すると、光源を平板・小電力型乃至短小軽薄型に分割化し、これらを植物栽培ステージ面に、モザイク状、かつ分散的に対向配置することにより、植物栽培ステージ面を全体的に一様な発熱の抑制を図ると共に、光量の調整・バラツキ解消、効率的な電力消費、及び植物栽培装置のコンパクト化を図った構成としている。なお、光源パネルの厚さは、2mm程度が好ましく、また、植物栽培ステージ面との間隔は、20〜40ｃｍ程度が好ましい。

ここで、光源パネルは、例えば直管型、Ｌ字型、コ字型等の蛍光ランプ、あるいはＥＬＤ素子列群の平面的な配列・組み合わせ、またはこれら光源と導光板や光拡散板との平板状化組み合わせである。ここで、冷陰極蛍光ランプの場合は、細管化等が可能であると共に、長寿命化や発光強度の向上等が図られ易く、植物栽培手段において多くの利点を呈する。例えば外径5ｍｍ以下の冷陰極蛍光ランプを使用すると、発熱・昇温の抑制を図りながら、光源パネルのコンパクト化も進め易くなって、高密度植物栽培装置化乃至装置の小型化を達成できる。なお、冷陰極蛍光ランプが外面電極型の場合は、各光源パネルを構成する光源の駆動用インバータを一括化できるので、さらに構成の簡略化乃至コンパクト化を図れる。また、発光波長300〜800ｎｍの冷陰極蛍光ランプとすると、発熱・昇温の抑制を図りながら、植物の生長・栽培に、より有効な光照射が行える。

上記光源パネルの構成において、光源パネルの光照射面に、波長300〜400ｎｍの紫外線領域をカットする拡散板を配置すると、植物栽培ステージへの近接が可能となって、植物の生長・栽培に、より効果的な光照射を行える。また、より効果的な光照射を行うために、植物栽培ステージへの対峙面を開口させたリフレクターを付設することが好ましい。

本発明において、光源パネルの光照射を制御する光源制御機構は、例えば照射光量もしくは光量子等をセンサやタイマーに連動させ、時間的に変化・調整するもので、例えばシーケンサーなどの自動制御機構が挙げられる。なお、照射光が区画形成する空間外へ透過放射されるのを防止するため、空間内側に光を反射させるアルミニウム板もしくは膜（箔）、白色アクリル樹脂板もしくはフィルム等放射光の透過を防止する機能を有するものを壁体面に配置してもよい。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る植物栽培装置の概略構成を示す斜視図、図2は図１の植物栽培装置に用いられる光源パネルの一部の概略構成を示す平面図である。なお、同図において図１０と同一部分には同一符号を付して示している。この植物栽培装置は、四隅に垂直に配置された４本の支柱7に、上棚板5及び植物栽培棚を構成する複数のステージ支持板1が、垂直方向にほぼ一定の間隔を置いて水平に支持されている。複数の植物栽培ステージ支持板1は通気性を持たせるために多数の透孔が設けられた板体あるいは、金網により構成されている。４本の支柱7の周囲には、図示しないが透明性アクリル樹脂板のような透光性の側板で覆われており、植物栽培装置は、全体的にボックス形に構成されている。したがって、ボックス形の植物栽培装置内部は、上棚板5及び複数の植物栽培ステージ支持板1により、外界と区画された間口120cm、奥行き45cm、高さ20cmの空間部8が垂直方向に複数個形成される。そして上棚板5及び複数の植物栽培ステージ支持板1の下面には光源パネル9がそれぞれ配置されている。この光源パネル9は、同一平面内に千鳥状に配置された複数の平板状光源11により構成されている。

ここで、光源パネル9は、図２の部分平面図に示すように、ボックス形の植物栽培装置の両側面間に平行に架橋された複数本の枠体12を備え、隣接する２本の枠体12間に、前記複数の平板状光源11が移動可能に支持されている。すなわち、複数本、例えば４本の枠体12は、空間部8の奥行き方向に、互いに一定間隔、例えば、12cmの間隔で平行に配列されている。そして、それらの長手方向側部には図示しないが、平板状光源11の一辺端部が挿入案内されるガイド溝が形成されている。ここで、平板状光源11の大きさは、例えば12×12cmサイズであり、その一辺は前記のように隣接する枠体12の間隔とほぼ一致している。また、複数の平板状光源11は、隣接する一対の枠体12の長手方向においては、それらの位置を適宜変更できるように、適宜の間隔（開口）13を持って配置される。図２においては、複数個の平板状光源11は、空間部8の間口方向においては、板状光源11と同じ寸法の間隔を置いてほぼ等間隔に配置されるとともに、奥行き方向においては、それらの位置がズレて配置されている。このため、複数個の板状光源11は、光源パネル9の全平面内に千鳥状に、一様に分散配置されている。各平板状光源11の背面には光源制御機構10が装着されている。

光源パネル9を構成する各平板状光源11は、図3に概略構造を、また、図4に要部を展開して示すような構成と成っている。即ち、コ字型に折り曲げた管径2．6ｍｍ、3．6Wの冷陰極蛍光ランプ11ａと、この冷陰極蛍光ランプ11ａで三つの辺側面で囲繞するように平面的に配置した導光板11ｂと、導光板11ｂの一主面側に配置した反射シート11ｃと、前記冷陰極蛍光ランプ11ａの外側に沿わせて装着したリフレクター11dと、前記導光板11ｂの他主面側に配置した拡散シート11eと、これらを一体的に収納・保持するハウジング11fと、前記冷陰極蛍光ランプ11ａを点灯・駆動するインバータ11gを有する構成と成っている。そして、このように構成した平板状光源11が、前記図2に示すように千鳥状乃至ジグザグ状に配設されて光源パネル9を構成している。

上記平板状光源11の構成において、インバータ11gを一体的に組み込まない場合は、その厚さを6mm程度に設定できる。また、冷陰極蛍光ランプ11ａの蛍光体は、植物栽培に適した青色：赤色の成分比＝20：80程度に選択しているが、3波長の白色パネルに波長選択性のあるフィルムを拡散シート11e側に配置してもよい。

上記光源パネル9は、最大光量子束密度45μmol／msと同等になるように、平板状光源11を12個装着・配置した構成としており、従来の40Ｗの熱陰極蛍光ランプを2本装着・配置した光源パネル3の場合に匹敵する。そして、この光源パネル9は、総電力量42．2Wで光分布が85％で、従来の光源パネル3が総電力量80Wで光分布が50％であったの比べて、照射の均一性及び小電力の点で大幅に勝っている。

ここで、照射の均一性が容易に確保できることは，例えばクローン苗等の生長バラツキの低減・抑制となり、歩留まりのよい生産が可能となる。例えば１６時間点灯、８時間休止のサイクルで植物栽培を行って、草丈の成長が全体的にほぼ一様（草丈の平均値）のときを歩留まり100%としたとき（草丈が平均値の2分の１以下は不良品）、実施例に係る装置の場合、各植物栽培ステージ2における歩留まりが95％であったのに対し、従来の装置の場合は85％であった。また、実施例の場合は、光源パネル9の平面状光源11が植物栽培ステージ2に近接しているため、植物の生長に伴って指数的に成長速度が増大するので高い生産性を呈する。

なお、上記構成においては、光源パネル9の最大光量子束密度を増加させ、例えば１00μmol／msに設定する場合は、光源パネル9の平面状光源11の個数を増やすことによって行える。また、植物栽培ステージ2面の一部の領域のみを選択的に使用する場合は、平面状光源11の個数を少なくし、それらの配置位置を選択する。

さらに、蛍光ランプ11aが冷陰極蛍光ランプの場合は、熱陰極蛍光ランプに比べて1本当たりに投入できる電力が小さくできる。そして、冷陰極蛍光ランプ11aの投入電力低減は、発熱量の低減をもたらして栽培植物に対する熱的な影響が小さくなる一方、光源パネル9の平板状化ないし薄型化に伴って近接照射が可能となる。つまり、光源パネル9による最大光量子密度分布は、平板状光源11との距離の2乗に反比例するため、投入電力低減及び発熱量の低減が図られる。そして、上記光源パネル9のコンパクト化によって、装置全体のコンパクト化乃至高密度化を図る一方、小刻みな電力調整が可能で、かつ全空間部8に亘って所要の光量子を容易に供給し得る植物栽培装置が提供される。

上記植物栽培装置の構成において、光源パネル9を装着した植物栽培ステージ支持板1は、空間部8側で支柱7にスライド機構を取着し、このスライド機構に両端側を嵌合・摺動・進退させる構成とすることもできる。

また、区画形成された空間部8内に、着脱自在型の液肥を収容する開口形の液肥収容槽を配置し、この液肥収容槽の開口部に植物栽培ステージ2を装着配置する構成を採ることもできる。

さらに、上記光源パネル9が装着・具備する平板状光源11は、図5、図6，図7、図８にそれぞれ要部構成を斜視的に示すような構成のものでもよい。

即ち、(1)細管型の陰極蛍光ランプ11aを並列に接続配置して成る平面的な光源群と、この光源群の一主面側に積層的に配置した反射板11ｃと、他一主面側に積層的に配置した光拡散シート11ｅとを有する直下タイプ（図5）、
(2)一対のＬＥＤ素子列11ｈと、前記ＬＥＤ素子列11ｈに側面を対向させて平面的に配置した導光板11ｂと、導光板11ｂの一主面側に配置した反射シート11ｃと、前記導光板11ｂの他主面側に配置した拡散シート11eと、これらを一体的に収納・保持するハウジング11fとを有するＬＥＤエッジライト（図６）、
(3)多数個のＬＥＤ素子を植設して成る平板状光源11ｉと、前記平板状光源11ｉのＬＥＤ素子植設面側に配置した光拡散・レンズシート11ｊとを有するタイプ（図７）、
(4)細管型の外面電極１１k型の陰極蛍光ランプ11aを並列に接続配置して成る平面的な光源群と、この光源群の一主面側に積層的に配置した反射板（図示省略）と、他一主面側に積層的に配置した光拡散シート11ｅと、インバータ11ｇとを有するタイプ（図8）等で代替することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。たとえば植物栽培装置の筐体を構成する透光性材料の材質、光源の波長、植物栽培棚の段数、液肥収容槽の省略・併用等、使用目的ないし使用態様に応じて、適宜選択設定することができる。

また、上記実施例においては、光源パネル9として、植物栽培装置の両側面間に平行に架橋された複数本、例えば４本の枠体12を備え、隣接する２本の枠体12間に、前記複数の平板状光源11が移動可能に支持した。しかし、この枠体12の本数は上記に限られるものではなく、少なくも一対の枠体であればよい。

本発明の実施例に係る植物栽培装置の概略構成を示す斜視図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルの概略構成を示す平面図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルを構成する平板状光源の要部構成を示す斜視図。 図３に図示した平板状光源の要部構成部材の展開図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルを構成する他の平板状光源の要部構成を示す斜視図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルを構成する他の平板状光源の概略構成を示す斜視図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルを構成するさらに他の平板状光源の要部構成を示す斜視図。 図１の植物栽培装置に用いる光源パネルを構成するさらに他の平板状光源概略構成を示す斜視図。 従来の植物栽培装置の主要部構成を示す側面図。 従来の植物栽培装置の概略構成を示す斜視図。

符号の説明

１……植物栽培ステージ支持板
２……植物栽培ステージ
３，9……光源パネル
4……培養容器
5……天井板（上棚板）
6，11a……蛍光ランプ
7……支柱
8……空間部
10……光源制御機構
11……平板状光源
11b……導光板
11ｃ……反射板
11d……リフレクター
11e……拡散シート
11f……ハウジング

Claims (2)

1. ほぼ水平に植物栽培容器が配置された植物栽培棚と、この植物栽培棚に対向して配置され、この植物栽培棚に光を照射する光源パネルとを備え、この光源パネルは、複数個の平板状光源が、ほぼ同じ平面内に分散配置されていることを特徴とする植物栽培装置。
2. 前記光源パネルは、少なくも一対の平行な枠体間に、前記平板状光源が移動可能に装着されていることを特徴とする植物栽培装置。

Images