JP2022047559A

JP2022047559A - 農業用炭酸ガス供給装置

Info

Publication number: JP2022047559A
Application number: JP2020153400A
Authority: JP
Inventors: 卓資久保; Takatoshi Kubo; 篤志尾野; Atsushi Ono; 祐介小林; Yusuke Kobayashi
Original assignee: Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd
Current assignee: Kawasaki Thermal Engineering Co Ltd
Priority date: 2020-09-13
Filing date: 2020-09-13
Publication date: 2022-03-25

Abstract

【課題】農業用途で大気から炭酸ガスを回収・貯留し、必要時に供給する環境に優しい炭酸ガスの供給装置を提供する。【解決手段】炭酸ガス回収装置１６で大気中の空気を高圧下で温度変化（冷却）させた水に溶解させる。炭酸ガスは空気中の気体の中で最も溶解度が高いことを利用し、優先的に炭酸ガスを回収・貯留し、必要なタイミングで回収・貯留した水から圧力変化（減圧）及び温度変化（加熱）によって炭酸ガス発生装置２６で炭酸ガスを分離して、換気用に取り込んだ外気とともに炭酸ガス濃度が高くなった空気としてビニールハウス１０内の作物に局所的に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、農業用ハウスに炭酸ガスを供給する装置に関する。

スマートアグリでは、光合成に必要な炭酸ガス濃度を人為的に高めて、作物の品質や収量を向上させる技術として「炭酸ガス施用」が知られている。炭酸ガス施用方法としては、ガス、油などの燃焼ガスを供給する方法が一般的であるが、夏場などではハウス内の温度が上昇するため、換気を要し効率が悪い。また、炭酸ガスを作物に供給するために化石燃料を燃焼させて炭酸ガスを発生させることは、省エネや環境保全の観点から好ましくない。

近年、発電所や工場などの排気ガスから吸収剤を用いて炭酸ガスを取り出す技術などもあるが、これには大がかりな設備を要し、吸収剤中の有害物質が炭酸ガスに混入する懸念があるため、農業用途には向かない。

その他、火力発電所や工場の排気ガスや天然ガス等の炭酸含有ガスから、炭酸ガスを水に溶解させて回収する技術も知られている（例えば、下記の特許文献１）。

特開２０１１－２３００６６号公報

上記の炭酸含有ガスから炭酸ガスを回収する方法では、炭酸含有ガス発生場所の近隣など立地条件が限られることが考えられる。
また、農業用ハウスで利用する場合、炭酸ガスは光合成のみに使われ、常時必要ではないため、需給のバランスが合わない。

本発明は、農業用途で大気から炭酸ガスを回収・貯留し、立地条件が限定されず必要時のみに適切な濃度で供給可能であり、環境に優しい炭酸ガスの供給装置を提供することを目的とする。

本発明は、気体ごとの水への溶解度差、及び高圧下では圧力に比例して気体の溶解度が増大することを利用することで、大気中から水中に炭酸ガスを選択的に溶解させ、必要時に分離気化し高濃度炭酸ガスを発生させる装置である。

本発明の農業用炭酸ガス供給装置は、農業用ハウスに炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段を備えた装置であって、炭酸ガス供給手段が、大気中の二酸化炭素を加圧下で水に溶解させるための空気圧縮手段及び気液混合手段を有する炭酸ガス回収手段と、二酸化炭素を溶解させた水から炭酸ガスを分離するための気液分離手段を有する炭酸ガス発生手段とを含むことを特徴とする。炭酸ガス回収手段には、例えば、耐圧性に優れた圧力容器を用いることができる。炭酸ガス発生手段には、例えば、オリフィスのような気液分離器を有する装置を用いることができる。

上記の装置において、炭酸ガス発生手段に外気導入手段を接続して、換気及び炭酸ガス濃度を調整できるようにすることができる。

上記の装置において、炭酸ガス回収手段と炭酸ガス発生手段との間、及び炭酸ガス発生手段の後段の少なくともいずれかに熱交換手段を設置して、炭酸ガス供給温度を調整できるようにすることができる。熱交換手段の熱源は、例えば、吸収冷温水機やヒートポンプ、太陽光パネルなどから供給することができる。

上記の装置において、炭酸ガス回収手段からの二酸化炭素を溶解させた水を、循環水ポンプを用いて循環させ、炭酸ガスを濃縮及び貯留できるようにすることができる。

上記の装置において、農業用ハウス内の炭酸ガス濃度が高い空気を炭酸ガス回収手段に導入し、再び水に溶解させるようにすることができる。このように、炭酸ガスの回収は大気中だけでなく、光合成しない時間帯の作物や土壌中の微生物などの呼吸で発生した炭酸ガスからも行うことができる。

また、本発明の農業用炭酸ガス供給装置は、農業用ハウスに炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段を備えた装置であって、炭酸ガス供給手段が、水に溶解している炭酸ガスを気化させるための加熱手段及び減圧手段の少なくともいずれかと、水と炭酸ガスとを分離するための気液分離手段とを有することを特徴とする。

本発明の農業用炭酸ガス供給装置は、炭酸ガスの発生に化石燃料を使用しないので、省エネや環境保全に資する。そして、空気コンプレッサーや循環水ポンプの動力（電力）のみで、大気中の二酸化炭素を回収することができる。

本発明では、いわゆる加圧水式で大気から炭酸ガスを回収するため、炭酸ガスボンベのような炭酸ガス供給手段は不要であり、ボンベ等の供給・補充の手間が省ける。

吸収剤のような薬剤を使用する方式と比較し、水を利用するため、農業用途に利用しても安全である。

いわゆる燃焼式の炭酸ガス発生装置ではハウス内の温度が上がるため、夏場などの施用は適正温度に維持するための換気が必要で非効率となるのに対し、いわゆる加圧水式では温度上昇が抑えられるため、適正温度に維持するための換気が不要で効率的に炭酸ガス施用が可能となる。特に、炭酸ガスの温度制御を行う場合には、より効率を高めることができる。

炭酸ガスの濃度及び温度を制御できる構成とする場合は、作物が必要とする炭酸ガス濃度及び温度制御が可能で、炭酸ガスは基本的に光合成に要する分を空気中から回収するだけでよく、効率を高めることができる。

作物の呼吸で発生する炭酸ガスを含む空気を、農業用ハウスから系外に放出することなく回収して再び水に溶解させる場合は、さらに効率を高めることができる。

大気中の空気を一度水に通すことになるので、水質管理を適切に行うことで空気清浄効果も期待できる。

図１は本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の一例（炭酸ガス供給サイクル）を示す説明図である。図２は本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の一例（炭酸ガス貯留サイクル）を示す説明図である。図３は本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の他の例（炭酸ガスを濃縮・貯留する場合）を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施できるものである。

本実施の形態は、農業用ハウスの炭酸ガス供給、空調システムを提供することを目的とする。大気中の空気を高圧下で温度変化（冷却）させた水に溶解させる。炭酸ガスは空気中の気体の中で最も溶解度が高いことを利用し、優先的に炭酸ガスを回収・貯留し、必要なタイミングで回収・貯留した水から圧力変化（減圧）及び温度変化（加熱）によって炭酸ガスを分離して、換気用に取り込んだ外気とともに炭酸ガス濃度が高くなった空気として空調用熱交換器に通し、栽培に適した温度に処理してビニールハウス（農業用ハウスの一例）内の作物に局所的に供給する。また、作物付近の炭酸ガス濃度が高い空気を系外に放出せずに回収して再び水に溶解させる。なお、炭酸ガス施用をしない場合のビニールハウス内炭酸ガス濃度は、光合成が活発な昼間の間は外気より低くなることが知られている。

上記のような構成により、作物が必要とする炭酸ガス濃度及び温度制御が可能で、炭酸ガスは基本的に光合成に要する分を空気中から回収するだけでよく、効率を高めることが可能である。また、大気中の空気を一度水に通すことになるので、水質管理を適切に行うことで空気清浄効果も期待できる。

図１は、本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の一例を示す。以下に説明する実施形態は、回収した炭酸ガスを供給することを目的とした構成となる。本実施形態は、ハウスに太陽光（又はそれに代わる光源）が照射されていて、作物の光合成が活発に行われている場合のサイクルである。

ビニールハウス１０の炭酸ガス回収用パン１２から空気を回収し、エアーコンプレッサー１４で加圧して炭酸ガス回収装置１６中の水と接触し溶解させる。炭酸ガス回収装置１６には、耐圧性に優れた圧力容器を用いることが望ましい。４８はバブリングノズルである。このとき、水に溶けやすい炭酸ガスは溶解し、溶けきれず上層部に滞留した他の空気は圧力を一定に保つため、動力回収装置１８を通って放出量調整弁２０で放出される。炭酸ガスを溶解した水は配管２２を通り加熱用熱交換器２４で加熱された後、気水分離器５０を備えた炭酸ガス発生装置２６で炭酸ガスを放出する。気水分離器５０には、例えば、オリフィスが組み込まれている。炭酸ガスを放出した水は配管２８を通って循環水ポンプ３０で送られ、冷却用熱交換器３２で冷却された後、炭酸ガス回収装置１６へと戻る。このとき、弁７２は開、弁７４は閉、弁７６は開となっている。

一方、炭酸ガス発生装置２６で放出された炭酸ガスは配管３４からの外気と混ざり、空調用熱交換器３６で適切な温度に処理された後、ビニールハウス１０の炭酸ガス局所施用ノズル３８に供給される。４０は外気を取り込む押込送風機である。

なお、冷却用熱交換器３２、加熱用熱交換器２４、空調用熱交換器３６の熱源は、別途吸収冷温水機やヒートポンプ、太陽光パネルなどから供給する。本実施形態では、一例として、吸収冷温水機やヒートポンプなどの冷熱熱源４２、太陽光パネル４４を加熱熱源として用いている。

図２は、本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の一例を示す。以下に説明する実施形態は、炭酸ガスを回収することを目的とした構成となる。本実施形態は、ハウスに太陽光（又はそれに代わる光源）があまり照射されておらず、作物の光合成が活発に行われていない場合のサイクルである。

ビニールハウス１０の炭酸ガス回収用パン１２から空気を回収し、エアーコンプレッサー１４で加圧して炭酸ガス回収装置１６中の水と接触し溶解させる。このとき、水に溶けやすい炭酸ガスは溶解し、溶けきれず上層部に滞留した他の空気は圧力を一定に保つため、動力回収装置１８を通って放出量調整弁２０で放出される。炭酸ガスを溶解した水は配管４６を通り循環水ポンプ３０で送られ、冷却用熱交換器３２で冷却された後、炭酸ガス回収装置１６へと戻る。このとき、弁７２は閉、弁７４は開、弁７６は閉となっている。

一方、配管３４から炭酸ガス発生装置２６に入った外気は、空調用熱交換器３６で適切な温度に処理された後、ビニールハウス１０の炭酸ガス局所施用ノズル３８に供給される。炭酸ガスの回収は大気中だけでなく、作物や微生物の呼吸で発生するビニールハウス中の炭酸ガスからも行われる。

なお、冷却用熱交換器３２、加熱用熱交換器２４、空調用熱交換器３６の熱源は、別途吸収冷温水機やヒートポンプ、太陽光パネルなどから供給する。他の構成及び作用等は、図１の場合と同様である。

図３は、本発明の農業用炭酸ガス供給装置の概略構成の他の例を示す。以下に説明する実施形態は、大気中の炭酸ガスを回収・濃縮することを目的とした構成となる。本実施形態は、ハウスに太陽光が照射されない夜間などに炭酸ガスを濃縮・貯留する場合（ステップ１）と、濃縮した炭酸ガスを作物の光合成が活発な昼間などに供給する場合（ステップ２）とを組み合わせたサイクルである。

ステップ１として、図３に示すように、混合容器５２内に水を充填・加圧し、そこにエアーコンプレッサー５４で加圧空気を供給して水中でバブリングし、大気を水へ溶け込ませる。混合容器５２には、耐圧性に優れた圧力容器を用いることが望ましい。８４は逆止弁である。気体の水への溶解度差を利用して、大気中から水中に炭酸ガスを集める。水への気体溶解度は高圧下では圧力に比例し増大するため、圧縮水に大気を溶解させる。

水中に溶け込んだ大気中の二酸化炭素濃度が必要な値になるまで、循環水ポンプ５６の動力を用いて混合容器５２内の水を配管５８から貯水タンク６０を経由して循環させ、加圧・バブリング・減圧を繰り返す。循環水ポンプ５６の動力には安価な夜間電力等を利用することができる。６２は圧力計である。このとき、弁７８は開、弁８０は閉、弁８２は閉となっている。

次に、ステップ２として、二酸化炭素濃度が必要な値になった炭酸ガス含有水は、配管６８を経由して気水分離器６４を備えた炭酸ガス発生装置６６に導入され、オリフィスなどの気水分離器６４を通過して、溶け込んだ炭酸ガスが分離される。分離された炭酸ガスは移送用大気と混合され、農業用ハウス（図示略）に供給される。７０は送風機である。このとき、図示していないが、弁７８は閉、弁８０は開、弁８２は開となっている。なお、回収した炭酸ガスは、必要時以外は水として貯めておき、必要時に分離気化させて使用することも可能である。

１０ビニールハウス
１２炭酸ガス回収用パン
１４、５４エアーコンプレッサー
１６炭酸ガス回収装置
１８動力回収装置
２０放出量調整弁
２２、２８、３４、４６、５８、６８配管
２４加熱用熱交換器
２６、６６炭酸ガス発生装置
３０、５６循環水ポンプ
３２冷却用熱交換器
３６空調用熱交換器
３８炭酸ガス局所施用ノズル
４０押込送風機
４２冷熱熱源
４４太陽光パネル
４８バブリングノズル
５０、６４気水分離器
５２混合容器
６０貯水タンク
６２圧力計
７０送風機
７２、７４、７６、７８、８０、８２弁
８４逆止弁

Claims

農業用ハウスに炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段を備えた装置であって、
炭酸ガス供給手段が、大気中の二酸化炭素を加圧下で水に溶解させるための空気圧縮手段及び気液混合手段を有する炭酸ガス回収手段と、二酸化炭素を溶解させた水から炭酸ガスを分離するための気液分離手段を有する炭酸ガス発生手段とを含むことを特徴とする農業用炭酸ガス供給装置。
炭酸ガス発生手段に外気導入手段を接続して、換気及び炭酸ガス濃度を調整できるようにした請求項１に記載の農業用炭酸ガス供給装置。
炭酸ガス回収手段と炭酸ガス発生手段との間、及び炭酸ガス発生手段の後段の少なくともいずれかに熱交換手段を設置して、炭酸ガス供給温度を調整できるようにした請求項１又は２に記載の農業用炭酸ガス供給装置。
炭酸ガス回収手段からの二酸化炭素を溶解させた水を、循環水ポンプを用いて循環させ、炭酸ガスを濃縮及び貯留できるようにした請求項１、２又は３に記載の農業用炭酸ガス供給装置。
農業用ハウス内の炭酸ガス濃度が高い空気を炭酸ガス回収手段に導入し、再び水に溶解させるようにした請求項１、２、３又は４に記載の農業用炭酸ガス供給装置。
農業用ハウスに炭酸ガスを供給する炭酸ガス供給手段を備えた装置であって、
炭酸ガス供給手段が、水に溶解している炭酸ガスを気化させるための加熱手段及び減圧手段の少なくともいずれかと、水と炭酸ガスとを分離するための気液分離手段とを有することを特徴とする農業用炭酸ガス供給装置。