JP3778900B2 - 殺菌装置及びこれを用いた水耕栽培システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジュースや酒などの流体や、固体、気体、特に、水耕栽培等に用いられる養液を殺菌処理するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば貯留槽などに貯留されたジュースや酒などの流体中に含まれる細菌やカビ、原虫などの微生物を除去する場合、流体をヒータにより加熱し、微生物の殺菌処理を行っていた。
【０００３】
一方、水耕栽培では、栽培床に作物の栽培に好適な割合で肥料を水に溶解した養液を循環させ、栽培床に植え付けられた作物を好適に生育させている。しかし、養液を循環させた栽培床の中はフザリウム菌（カビの一種）や青枯れ病菌などの病原菌の繁殖に好適な環境であり、栽培床中に病原菌が繁殖すると病害が発生し、収量が得られなくなり、最悪は、作物を枯らしてしまう。このため、養液をヒータで加熱したり、養液の循環経路中に透光性のジャケットに内装した紫外線或いはオゾンにて養液中に含まれる病原菌を滅菌させる構造の装置が実施されていた。
【０００４】
しかしながら、養液に紫外線を照射することによって殺菌処理する場合には、昨今、栽培床に、ロックウールや、ヤシガラ繊維、又は籾殻などが用いられるため、栽培床に循環される養液が濃い褐色などに変色してしまい、紫外線による殺菌効果は得られにくいと云う問題があった。また、養液をオゾンにより殺菌処理することも行われるが、有機物が多いため、かかる場合には、紫外線同様、養液中に殺菌しにくく、更に、当該養液中に含まれる鉄やマンガン濃度を低下させてしまう問題があった。
【０００５】
また、ヒータによる養液の加熱殺菌方法では、ランニングコストが高騰するという問題がある。更に、加熱した養液をそのまま栽培床中に戻すと、植物が枯れてしまうため加熱した養液を冷却する冷却装置も必要になる。このため、養液の加熱、冷却に大量のエネルギーを使用しなければならない問題があった。
【０００６】
そこで、加熱殺菌された後の養液と殺菌前の養液とを熱交換することにより、冷却に使用されるエネルギーを減少させる方法も採られているが、かかる場合であっても、ヒータによる養液の加熱では、ランニングコストの高騰は否めないという問題があった。
【０００７】
そこで、従来より、ヒートポンプを用いて流体（殺菌対象）を加温殺菌する殺菌装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この殺菌装置は、ヒートポンプ内に冷媒が充填されており、圧縮機で高温高圧に圧縮された冷媒ガスが蒸気凝集器で凝縮液化されるときの凝縮潜熱を用いて加温部にある流体を加温殺菌するものであった。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２７６０３７７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のヒートポンプを用いた殺菌装置では、加温部にある流体を加熱殺菌する際に、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮過程において一定の温度で放熱するために、加熱殺菌する流体を例えば＋２０℃から＋６４℃以上に加熱する場合には、仮に無限大の熱交換器で加熱したとしても流体間の温度差をゼロにすることはできない。そのために、熱交換器で発生する熱の不可逆損失は大きく、当該凝縮器で流体を効率的に加熱殺菌することができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、省エネルギー型の殺菌装置であって、効率的に殺菌対象を加熱殺菌することができる殺菌装置及びそれを用いた水耕栽培システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の殺菌装置は、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、該ヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段と、該殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、前記ヒートポンプの吸熱部に接続され、該ヒートポンプの吸熱を利用して前記殺菌対象を冷却する冷却手段とを有し、前記殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を前記殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から前記冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た前記殺菌対象を前記利用側に送る殺菌対象処理モードと、前記ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、前記冷却手段を経た前記殺菌対象を直接前記殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを実行することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、このヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段を備えるので、ヒートポンプの吸熱部において汲み上げた熱を放熱部に搬送することにより、効率的な加熱殺菌を実現して、省エネルギー型の殺菌装置を提供することが可能となる。特に、ヒートポンプを高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルで構成したので、放熱部において殺菌対象をより効率的に加熱し、殺菌処理することができるようになる。この場合、請求項８の如くＣＯ2冷媒を用いることにより、放熱部における冷媒温度が高くなり、より一層効果的な加熱殺菌作用が期待できる。
【００１３】
また、殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、ヒートポンプの吸熱部に接続され、ヒートポンプの吸熱を利用して殺菌対象を冷却する冷却手段を備えるので、該冷却手段により殺菌処理された後の殺菌対象の温度を迅速に下げることができるようになる。それにより、特に請求項１２の如く高温の殺菌対象をそのまま返送することができない再循環式の水耕栽培システムにおいて、養液の殺菌処理に特に有効となる。
【００１４】
更に、ヒートポンプの放熱部における急激な加熱と、吸熱部における急激な冷却により、殺菌対象に急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【００１５】
特に、殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た殺菌対象を利用側に送る殺菌対象処理モードと、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを有するので、殺菌対象処理モードにおいて、殺菌対象を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。また、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行うため、経路内に残留した殺菌対象を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【００１６】
これにより、経路内に残留した殺菌対象を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることができるようになる。そのため、殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留殺菌対象が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることにより、該殺菌対象の利用側に菌が混入することを回避することができるようになる。
【００１７】
請求項２の発明の殺菌装置は、上記発明において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明によれば、上記において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有するので、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の殺菌対象を、クールダウンモードにおいて冷却手段により冷却し、直接殺菌処理手段に送る循環を行うことにより、経路内の温度を前記殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【００１９】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、殺菌対象の利用側に高温の殺菌対象が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【００２０】
請求項３の発明の殺菌装置は、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたので、当該殺菌装置に給湯機能を備えることができるようになり、より一層利便性が向上する。
【００２２】
請求項４の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むので、該貯留手段により殺菌対象の加熱処理に要する時間を確保し、殺菌処理効果を向上させることができるようになる。
【００２４】
請求項５の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えるので、殺菌処理手段を経た殺菌対象から熱を回収し、殺菌対象の温度を上げた状態で殺菌処理手段に送ることができるようになる。これにより、ヒートポンプの運転効率を更に改善することができるようになる。
【００２６】
請求項６の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えるので、冷却手段における流体からの吸熱を促進することができるようになる。これは、特に運転開始時に迅速に放熱部における殺菌作用を立ち上げることができるようになるものである。
【００２８】
請求項７の発明の殺菌装置は、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、送風機にて冷却される補助放熱部を備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項７の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、 送風機にて冷却される補助放熱部を備えるので、当該補助放熱部を利用することにより、吸熱部の吸熱効率を向上させることができるようになる。これにより、当該ヒートポンプの放熱部と吸熱部の温度差を広げることができ、より急激な温度変化によるストレスを殺菌対象に与えることができるようになる。そのため、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【００３０】
また、ヒートポンプにおける余分な熱を補助放熱部にて廃棄することが可能となり、高めの温度で流入した殺菌対象を適切な温度に冷却して利用側に返送することができるようになる。これにより、当該殺菌対象の利用側の温度管理を厳密に行うことができるようになり、利便性が向上する。
【００３１】
請求項８の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮すると共に、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項８の発明によれば、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮するようにしているので、高圧側における超臨界圧力を円滑に構成することができるようになる。また、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えるので、第１の圧縮要素の吐出冷媒を中間熱交換器により放熱させ、熱量バランスを取ることができるようになる。また、第１の圧縮要素の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の圧縮要素に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【００３３】
請求項９の発明の殺菌装置は、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いることを特徴とする。
【００３４】
請求項９の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いるので、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した殺菌装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００３５】
請求項１０の発明の水耕栽培システムは、栽培床に養液を供給して植物栽培を行うものであって、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うことを特徴とする。
【００３６】
請求項１０の発明によれば、栽培床に養液を供給して植物栽培を行う水耕栽培システムにおいて、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うので、養液をオゾンや電解により殺菌することができない水耕栽培システムにおいて特に有効なものとなる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用した実施例としての殺菌装置１の概略構成図を示している。本実施例における殺菌装置１は、例えば後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液（殺菌対象）の加熱殺菌処理を行うものである。図１において、２は本実施例における殺菌対象としての養液を貯溜した養液槽であり、この養液槽２には、ポンプ３が介設された流路４を介して加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。
【００３８】
また、図１において、１０はヒートポンプであり、冷媒配管１５を介して圧縮機１１と、放熱部１２と、膨張部として例えば電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されて環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２を流れる冷媒は、上記養液が循環する加熱部５と対向流となるように設けられると共に、吸熱部１４は同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、圧縮機１１は密閉容器内に電動要素とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納して成るロータリコンプレッサである。
【００３９】
また、本実施例では、ヒートポンプ１０内には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。更に、１６は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１６の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。１７は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００４０】
以上の構成により、本実施例における殺菌装置１の動作について説明する。ヒートポンプ１０の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルから、圧縮機１１の密閉容器内に設けられた前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動して図示しないロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた偏心部に嵌合されたローラが前記回転圧縮要素のシリンダ内を偏心回転する。これにより、前記シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラとベーンの作用により圧縮されて例えば＋８６℃の高温高圧の冷媒ガスとなり、シリンダの高圧室側から吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００４１】
圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ１０は、高圧側が超臨界圧力となるので、放熱部１２において冷媒（ＣＯ2）は液化することなく気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００４２】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１内の前記回転圧縮要素に吸い込まれる。
【００４３】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合でポンプ３より加熱部５に搬送される。加熱部５では上述した如くヒートポンプ１０の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ１６に基づき圧縮機１１を運転制御することにより、より精度良く制御される。
【００４４】
ここで、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００４５】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである。
【００４６】
貯留部７から流出した養液（温度は＋６７℃程）は次に冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ１０の吸熱部１４で蒸発する冷媒と熱交換することにより、養液からは熱が奪われ、その温度は所定の温度、例えば＋２０℃にまで下げられる（冷却ステップ）。このとき、冷却部９における吸熱部１４の養液冷却作用は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき、電動膨張弁１３の弁開度を制御することで精度良く制御される。
【００４７】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ１０の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ１０の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ１０は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００４８】
また、本発明において用いられるヒートポンプ１０には、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００４９】
更にまた、上述した如く、ヒートポンプ１０の放熱部１２における急激な加熱と、吸熱部１４における急激な冷却により、殺菌対象である養液中の菌などに急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、より一層高い殺菌効果を得ることができるようになる。特に、芽胞菌のような菌の処理に有効となる。
【００５０】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００５１】
次に、本発明を適用した他の実施例としての殺菌装置２１について図２を参照して説明する。図２はこの場合の本発明の殺菌装置２１の概略構成図を示している。尚、この実施例において図１と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の実施例における殺菌装置２１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。本実施例における養液槽２は、ポンプ３が介設された流路４を介して加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。
【００５２】
また、図２において、２２はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ２２には、圧縮機１１として密閉容器内に図示しない電動要素と第１及び第２の回転圧縮要素２４、２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサが用いられている。そして、このヒートポンプ２２は、冷媒配管２３を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４と、中間熱交換器２５と、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２６と、放熱部１２と、電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されることにより、環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２は、上記養液が循環する加熱部５と交熱的に設けられると共に、吸熱部１４は、同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、本実施例においても、ヒートポンプ１０内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。また、中間熱交換器２５には通風用の送風機２９が設けられている。
【００５３】
図２において、２７は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２７の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。２８は圧縮機１１の第２の圧縮要素２６から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２８の出力に基づき、送風機２９の運転制御が行われる。１７は上記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００５４】
以上の構成により、この場合の殺菌装置２１の動作について説明する。ヒートポンプ２２の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルにより、圧縮機１１の前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動してロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた図示しない上下偏心部に嵌合された図示しない上下ローラが第１及び第２の回転圧縮要素２４、２５を構成する上下シリンダ内で偏心回転する。これにより、第１の回転圧縮要素２４の下シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、下ローラとベーンの作用により圧縮されて中間圧となり、下シリンダの高圧室側より圧縮機１１の密閉容器内に吐出される。これによって、密閉容器内は中間圧となる。
【００５５】
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスは一旦密閉容器外に出て中間熱交換器２５を通過し、冷媒はそこで空冷され、今度は密閉容器内の第２の回転圧縮要素２６の上シリンダの低圧室側に吸入され、上ローラとベーンの作用により２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から外部に吐出される。このとき、冷媒は＋８６℃程となり、適切な超臨界圧力まで圧縮されている。尚、このとき、第２の回転圧縮要素２６から吐出される冷媒温度は、温度センサ２８により検出され、これに基づき送風機２９が制御され、所定の温度に調整されるものとする。
【００５６】
このとき、圧縮機１１は上述した如く第１の回転圧縮要素２４及び第２の回転圧縮要素２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。即ち、第１の回転圧縮要素２４に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の回転圧縮要素２６に吸い込んで圧縮することができるため、ＣＯ2冷媒を効率的に超臨界圧力まで圧縮することが可能となる。
【００５７】
更にまた、第１の回転圧縮要素２４から吐出される冷媒は、中間熱交換器２５により放熱させるため、熱量バランスを取ることができるようになる（例えば冷媒は中間熱交換器２５において８．７５ｄｅｇの熱量を放出する）。また、中間熱交換器２５で第１の回転圧縮要素２４の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の回転圧縮要素２６に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【００５８】
上述した如く圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより、熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ２２も超臨界圧力にまで圧縮された冷媒（ＣＯ2）を用いているため、当該放熱部１２において、冷媒は液化することなく、気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００５９】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する（このときの冷媒温度は＋１８℃程）。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４に吸い込まれる。
【００６０】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合でポンプ３より加熱部５に搬送される。加熱部５では上述した如くヒートポンプ２２の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ。冷媒から養液に５０ｄｅｇの熱量が移動する）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ１６に基づき圧縮機１１を運転制御することにより、より精度良く制御される。
【００６１】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００６２】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである（この貯留部７で例えば３ｄｅｇの熱量が失われる）。
【００６３】
貯留部７から流出した養液（温度は＋６７℃程）は次に冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ２２の吸熱部１４で蒸発する冷媒と熱交換することにより、養液からは熱が奪われ、その温度は所定の温度、例えば＋２０℃にまで下げられる（冷却ステップ。このときに養液から冷媒に４７ｄｅｇの熱量が移動する）。この場合の冷却部９における吸熱部１４の養液冷却作用は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき、電動膨張弁１３の弁開度を制御することで精度良く制御される。
【００６４】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ２２の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ２２の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置２１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ２２は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００６５】
また、この場合のヒートポンプ２２も高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００６６】
更にまた、上述した如く、ヒートポンプ２２の放熱部１２における急激な加熱と、吸熱部１４における急激な冷却により、殺菌対象である養液中の菌などに急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、より一層高い殺菌効果を得ることができるようになる。特に、芽胞菌のような菌の処理に有効となる。
【００６７】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００６８】
次に、本発明を適用したもう一つの他の実施例としての殺菌装置３１について図３を参照して説明する。図３はこの場合の殺菌装置３１の概略構成図を示している。尚、本実施例において図１、図２と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の殺菌装置３１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。本実施例における養液槽２は、ポンプ３が介設された流路４を介して熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａ、加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂ、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。尚、熱回収用熱交換器３２は、吸熱側３２Ａを通る殺菌対象としての殺菌処理前の養液と放熱側３２Ｂを通る殺菌処理した後の養液との熱交換を行うものである。
【００６９】
また、図３においては３３はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ３３には、圧縮機１１として密閉容器内図示しない電動要素とこの電動要素で駆動される第１及び第２の回転圧縮要素２４、２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサが用いられている。そして、このヒートポンプ３３は、冷媒配管３４を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４と、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２６と、放熱部１２と、内部熱交換器３５の放熱側３５Ａと、電動膨張弁１３と、吸熱部１４と、内部熱交換器３５の吸熱側３５Ｂとが順次接続されることにより、環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２は、上記養液が循環する加熱部５と交熱的に設けられると共に、吸熱部１４は、同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。また、内部熱交換器３５は、放熱側３５Ａを通る放熱部１２を出た高圧側の冷媒ガスと吸熱側３５Ｂを通る吸熱部１４を出た低圧側の冷媒ガスとの熱交換を行うものである。尚、本実施例においても、ヒートポンプ３３内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。
【００７０】
図３において、３６は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ３６の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。１７は前記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００７１】
以上の構成により、この場合の殺菌装置３１の動作について説明する。ヒートポンプ３３の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルにより、圧縮機１１の前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動してロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた図示しない上下偏心部に嵌合された図示しない上下ローラが第１及び第２の回転圧縮要素２４、２５を構成する上下シリンダ内で偏心回転する。これにより、第１の回転圧縮要素２４の下シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、下ローラとベーンの作用により圧縮されて中間圧となり、下シリンダの高圧室側より圧縮機１１の密閉容器内に吐出される。これによって、密閉容器内は中間圧となる。
【００７２】
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスは、今度は密閉容器内の第２の回転圧縮要素２６の上シリンダの低圧室側に吸入され、上ローラとベーンの作用により２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から外部に吐出される。このとき、冷媒は＋８６℃程となり、適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００７３】
このとき、圧縮機１１は上述した如く第１の回転圧縮要素２４及び第２の回転圧縮要素２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。即ち、第１の回転圧縮要素２４に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の回転圧縮要素２６に吸い込んで圧縮することができるため、ＣＯ2冷媒を効率的に超臨界圧力まで圧縮することが可能となる。
【００７４】
上述した如く圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより、熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ３３も超臨界圧力にまで圧縮された冷媒（ＣＯ2）を用いているため、当該放熱部１２において、冷媒は液化することなく、気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００７５】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、＋６８℃程に温度低下して内部熱交換器３５の放熱側３５Ａに流入し、内部を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却され、＋４０℃程となる。尚、内部熱交換器３５を設けることにより、吸熱部１４における冷媒ガスの冷却能力が向上する。
【００７６】
内部熱交換器３５にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、本実施例においても電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する（このときの冷媒温度は＋１８℃程）。
【００７７】
その後、冷媒は吸熱部１４から流出して、内部熱交換器３５の吸熱側３５Ｂを通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けることにより、冷媒は略完全に気体の状態となる。そして、冷媒は気体の状態で再び圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４に吸い込まれる。
【００７８】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受け、この時点で養液の温度は＋６４℃程となる（熱交換ステップ。加熱処理後の養液からの熱移動は４４ｄｅｇ）。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ３３の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ。このときの冷媒からの熱移動は６ｄｅｇ）。尚、養液は、熱回収用熱交換器３２により、一旦、加熱処理された後の養液と熱交換しているため、上記実施例と比較して、加熱部５におけるエネルギー消費量を削減することができる。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ３６に基づき圧縮機の制御を行うことにより、より精度良く制御される。
【００７９】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００８０】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである（この貯留部７で例えば３ｄｅｇの熱量が失われる）。
【００８１】
そして、貯留部７から流出した養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて、＋２３℃程まで冷却される（熱交換ステップ。このときの熱移動は４４ｄｅｇ）。その後、養液は冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ３３の吸熱部１４の冷媒と熱交換することにより、更に冷却され、所定の温度、例えば＋２０℃にまで冷却される（冷却ステップ。このときの養液から冷媒への熱移動は３ｄｅｇ）。冷却部９における養液の冷却温度は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき電動膨張弁１３の弁開度を制御することにより、精度良く制御される。
【００８２】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ３３の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ３３の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置３１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ３３は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００８３】
また、この場合のヒートポンプ３３も高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００８４】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、熱回収用熱交換器３２、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００８５】
特に、この場合の殺菌装置３１によれば、加熱部５に送られる養液と、加熱部５を経た養液とは、熱回収用熱交換器３２にて熱交換を行うため、効率的に熱回収することができ、エネルギー効率を改善することができるようになる。
【００８６】
ここで、図３中破線で示すようにヒートポンプ３３の吸熱部１４及び冷却部９に流通手段として例えば送風機Ｆを設けても良いものとする。係る送風機Ｆを設けて吸熱部１４及び冷却部９に外気を通風すれば、吸熱部１４における外気からの吸熱（熱の汲み上げ）を促進することができるようになる。これは特に運転開始時（プルダウン）の放熱部１２における殺菌作用の立ち上げに有効となる。尚、ここでは、流通手段としての送風機Ｆを設けているが、これ以外に、水や油などと冷却部９を熱交換させることによっても、該水や油などの熱量からの吸熱（熱の汲み上げ）を促進することができるものとする。
【００８７】
次に、本発明を適用した更にもう一つの他の実施例としての殺菌装置４１について図４を参照して説明する。図４は係る実施例における殺菌装置４１の概略構成図を示している。尚、本実施例において図１、図２又は図３と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の殺菌装置４１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。
【００８８】
本実施例における養液槽（殺菌対象の利用側）は、養液タンク２Ａと養液タンク２Ｂとから構成されており、これらは図示しない回路にて接続されている。養液タンク２Ａは、ポンプ３が介設された流路４を介して熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａ、加熱部５（尚、係る実施例では、加熱部５のみで殺菌処理手段を構成するものとする。）、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂ、冷却部９（冷却手段）とモード切替手段としての三方弁４２が順次接続され、当該三方弁４２の一方の出口が流路４３を介して養液タンク２Ｂに接続され、養液の循環サイクルを構成している。尚、三方弁４２の残りの出口は、流路４４を介して直接ポンプ３が介設された流路４に接続される。尚、熱回収用熱交換器３２は、吸熱側３２Ａを通る殺菌対象としての殺菌処理前の養液と放熱側３２Ｂを通る殺菌処理した後の養液との熱交換を行うものである。
【００８９】
また、図４においては４５はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ４５には、冷媒配管１５を介して圧縮機１１と、放熱部１２と、近傍に冷却用送風機４９が設けられた補助放熱部４６と、膨張部として例えば電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されて環状の冷凍サイクルを構成している。また、補助放熱部４６の下流側であって、吸熱部１４の上流側には、電磁開閉弁４７が介設された冷媒配管４８が接続され、当該冷媒配管４８の他端は、吸熱部１４の下流側に接続される。尚、当該冷媒配管４８は、吸熱部１４の上流側ではなく、更に上流側、即ち、電動膨張弁１３の上流側に接続されていても良いものとする。ここで、放熱部１２を流れる冷媒は、上記養液が循環する加熱部５と対向流となるように設けられると共に、吸熱部１４は同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、圧縮機１１は密閉容器内に電動要素とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納して成るロータリコンプレッサである。尚、本実施例においても、ヒートポンプ４５内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。
【００９０】
図４において、５０は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ５０の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。５１は前記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ５１の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御、三方弁４２の切換制御、補助放熱部４６の冷却用送風機４９の運転制御が行われる。
【００９１】
以上の構成により、この場合の殺菌装置４１の殺菌対象処理モードについて説明する。ヒートポンプ４５の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルから、圧縮機１１の密閉容器内に設けられた前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動して図示しないロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた偏心部に嵌合されたローラが前記回転圧縮要素のシリンダ内を偏心回転する。これにより、前記シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラとベーンの作用により圧縮されて例えば＋８６℃の高温高圧の冷媒ガスとなり、シリンダの高圧室側から吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００９２】
圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ４５は、高圧側が超臨界圧力となるので、放熱部１２において冷媒（ＣＯ2）は液化することなく気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００９３】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、当該殺菌対象処理モードにおいて、電磁開閉弁４７が閉鎖されていることから、近傍の冷却用送風機４９が運転された補助放熱部４６を介して電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１内の前記回転圧縮要素に吸い込まれる。
【００９４】
一方、養液タンク２Ａ内の養液は、殺菌対象処理モードでは、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受け、この時点で養液の温度は＋６４℃程となる（熱交換ステップ）。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ４５の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ５０に基づき圧縮機の制御を行うことにより、より精度良く制御される。
【００９５】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００９６】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて、＋２３℃程まで冷却される（熱交換ステップ）。その後、養液は冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ４５の吸熱部１４の冷媒と熱交換することにより、更に冷却され、所定の温度、例えば＋２０℃にまで冷却される（冷却ステップ）。冷却部９における養液の冷却温度は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ５１に基づき電動膨張弁１３の弁開度を制御することにより、精度良く制御される。
【００９７】
また、本実施例における殺菌装置４１では、温度センサ５１により検出された温度が所定温度以下である場合には、前記三方弁４２を流路４４側に切り換え、前記補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転を停止する。これにより、流路４と、熱回収用熱交換器３２と、加熱部５と、冷却部９とにより構成される養液の回路は、養液タンク２Ａ及び２Ｂと隔絶された回路となる。また、冷却用送風機４９が停止されることから、ヒートポンプ４５の補助放熱部４６における冷却能力が低下し、吸熱部１４による冷却効率が低下する。これにより、当該吸熱部１４と熱交換する冷却部９における養液を冷却する能力が低下し、養液タンク２Ａ及び２Ｂと隔絶された養液の回路内の温度上昇を図ることができるようになる。
【００９８】
そして、温度センサ５１により検出された温度が所定温度以上となった場合には、前記三方弁４２を流路４３側に切り換え、前記補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転を再開する。そして、上述した如き養液タンク２Ａ及び２Ｂ内の養液を殺菌処理する通常運転を再開される。これにより、補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転制御や三方弁４２の切換により、容易に、冷却部９の冷却能力の調整を行うことができるため、殺菌処理後の養液の温度調整が容易となる。
【００９９】
一方、上述した如く養液タンク２Ａ及び２Ｂ内の養液の殺菌処理が終了すると、作業者は、ポンプ３の運転を停止すると共に、ヒートポンプ４５の運転を停止する。このとき、流路４、熱回収用熱交換器３２、加熱部５、冷却部９などの経路内の養液は、ポンプ３の運転停止により、内部に残留する。そして、次回、ポンプ３が運転され、殺菌処理が再開されるまでは、常温に維持されることとなる。そのため、これら内部経路に残留した養液は、運転終了時に僅かな菌が残留しているだけで、次回の殺菌処理開始時までに、大量の菌が増殖する。そして大量の菌が混入した養液は、次回の殺菌処理運転時に養液タンク２Ｂ内に流入することとなるため、当該養液の殺菌処理の有効性が失われる問題がある。
【０１００】
そこで、係る実施例では、当該殺菌処理の運転開始前に、経路加熱殺菌モードを実行する。ヒートポンプ４５の圧縮機１１は上記殺菌対象処理モードと同様に冷媒を適切な超臨界圧力まで圧縮した後、放熱部１２に吐出される。放熱部１２では当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。
【０１０１】
ここで、経路加熱殺菌モードでは、電磁開閉弁４７が開放され、冷却用送風機４９が運転停止とされていることから、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、近傍の冷却用送風機４９が運転停止された補助放熱部４６内に流入する。その後、電磁開閉弁４７が開放されていることから、吸熱部１４内に流入することなく、冷媒配管４８を介して、圧縮機１１に帰還する。これにより、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱は停止させた状態となり、吸熱部１４と冷却部９との熱交換は行われないこととなる。
【０１０２】
一方、経路加熱殺菌モードでは、三方弁４２が流路４４側に切り換えられていることから、流路４や熱回収用熱交換器３２、加熱部５、冷却部９により構成される経路内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受ける。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ４５の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度にまで昇温される。
【０１０３】
かかる経路加熱殺菌モードにおいても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【０１０４】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて少許冷却される。その後、養液は、上述した如く熱交換が行われない冷却部９内に流入し、再び三方弁４２を介してポンプ３により熱回収用熱交換器３２に送出される。これにより、経路内の養液は、上述の如く循環することにより、昇温され、本実施例では、温度センサ５１により検出される温度が＋６０℃となるまで当該経路内の養液の循環を行う。尚、このとき、経路内は、該経路内の養液が昇温されることから圧力が上昇するが、ポンプ３と、三方弁４２に接続された流路４４との間において、養液タンク２Ａの流路４が開放して接続されていることから、当該圧力により、養液タンク２Ａ内の養液を経路内に供給され、経路内の圧力上昇を防止することができる。
【０１０５】
また、このとき、ヒートポンプ４５の吸熱部１４は、吸熱を停止させた状態であるため、圧縮機１１に通電された電力の分だけ、放熱部１２から熱が放出されるため、効率的に加熱部５において経路内の養液の加熱を行うことができるようになる。
【０１０６】
これにより、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱を停止させた状態で、冷却部９を経た殺菌対象としての養液を養液タンク２Ａ、２Ｂに戻すことなく直接熱回収用熱交換器３２、加熱部５に送る循環を行うため、経路内に残留した養液を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【０１０７】
そのため、経路内に残留した養液を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留養液を養液タンク２Ｂに送ることができるようになる。そのため、上述した如く殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留養液が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留養液を養液タンク２Ｂに送ることにより、該養液タンク２Ｂや２Ａに菌が混入することを回避することができるようになる。
【０１０８】
その後、上述した如く温度センサ５１により検出される温度が＋６０℃となった時点で、電磁開閉弁４７を閉鎖し、ヒートポンプ４５内の冷媒を電動膨張弁１３内に流入させ、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱を再開させるクールダウンモードを実行する。係るクールダウンモードでは、冷却部９を経た養液を養液タンク２Ａ、２Ｂに戻すことなく直接熱回収用熱交換器３２、加熱部５に送る循環を行いながら、冷却部９において冷却を行うため、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の養液を、通常の殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【０１０９】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、養液タンク２Ｂに高温の養液が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【０１１０】
尚、係る実施例において、図４中破線で示すように養液の経路内に、例えば三方弁４２の下流側であってポンプ３の上流側に位置して給水手段５２を設け、冷却部９の下流側であって三方弁４２の上流側に位置して排水手段５３を設けても良いものとする。そして、上述した如き経路加熱殺菌モードにおいて、養液に代えて外部から給水手段５２により経路内に引き入れた水を熱回収用熱交換器３２及び加熱部５に送り、この加熱部５にて加熱された後の水を冷却部９及び排水手段５３を経て外部に流出させることにより、所定温度にまで加熱された湯水を外部に取り出すことができる給湯運転を実行することができるようになる。係る湯水は、所定温度にまで加熱され菌が処理された後のものであるため、例えば水耕栽培などにおいて用いられる器具や植物自体に使用することができるようになり、利便性が向上する。
【０１１１】
尚、上記各実施例では、圧縮機としてロータリーコンプレッサが用いられているが、他の構成によるものであっても本発明を実施することができる。
【０１１２】
ここで、上述した本発明の殺菌装置１、２１、３１、４１を水耕栽培システム３０に採用した場合の実例を、図５を用いて説明する。図５において養液タンク１３６に蓄えられた２次養液（２次養液とは、栽培床１３５で植物、或いはベッドに吸収されなかった）は循環ポンプ１３７で送り出され、活性炭などが用いられた濾過タンク１３１で有機物などのゴミが除去された後、貯液タンク１３２に流入し、そこで一旦貯液される。貯液タンク１３２に貯留された養液は、糸巻きフィルターなどからなるカートリッジフィルター１３３に流入し濾過タンク１３１で除去されなかったゴミが除去された後、導入口１０２から前述した本発明の殺菌装置１（又は、２１、３１又は４１）における養液槽２内に流入する。
【０１１３】
養液槽２に流入した養液は、前述の如く流路４を循環され、殺菌装置１（２１、３１、４１）により加熱殺菌処理されて養液中に繁殖する菌、特に、栽培床１３５中の植物としての作物１３８の根を傷めるフザリウム菌或いは他の細菌など（以降これらを病原菌と称す）が取り除かれる。このように病原菌が取り除かれた養液槽２内の養液は排出口１０４より流出して養液調整タンク１３４に流入する。この場合、例えば１日に１回、夜間などに殺菌装置１（２１、３１、４１）及びポンプ３を運転し、養液槽２の養液の加熱殺菌処理を行うものとする。
【０１１４】
尚、１４０は用水（この場合、用水には水道水或いは地下水などが用いられる）で、循環経路を循環する養液は、作物１３８に吸収され、また、自然蒸発により少なくなっていくので、少なくなった養液量分の用水１４０が補充される。
【０１１５】
また、養液調整タンク１３４は、栽培床１３５内の養液に栽培床１３５に植え付けられた作物１３８の生育に不足している養分がある場合、肥料調整装置１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ（この場合、作物１３８の生育に不足すると思われるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、他肥料（養分）などがそれぞれ別々に肥料調整装置１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ内に収納されている）から不足する養分が選択されて養液調整タンク１３４内に投入される。
【０１１６】
これにより、養液調整タンク１３４内は、栽培床１３５に植え付けられた作物１３８の生育に適した養分を含んだ養液に調整される。そして、作物１３８の生育に適した養分に調整された養液は、養液調整タンク１３４から作物１３８が植え付けられた栽培床１３５に流入し、そこで、所定量の養液が作物１３８に吸収され、養分が薄くなった２次養液は排水されて養液タンク１３６に戻り再度循環ポンプ１３７で送り出されリサイクル液として循環を繰り返す。
【０１１７】
このように、栽培床１３５から出た２次養液を当該栽培床１３５に再循環させる経路中に殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）を設けることにより、養液及び２次養液が流れる経路を循環する養液中に含まれる病原菌を効率的に加熱殺菌することが可能となる。また、本発明の殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）では、加熱殺菌した後、所定の温度まで冷却して養液槽２に返送するため、高温の養液をそのまま返送することが不可能な図４の如き水耕栽培システムで特に有効となる。
【０１１８】
また、養液の加熱及び冷却は、上述した如くヒートポンプ１０（又は、２２、３３、４５）を利用して行われるため、従来のように電気ヒータを用いた養液の加熱殺菌に対して大量のエネルギーも不要となり、大幅な省エネルギー化を図ることが可能となる。
【０１１９】
更にまた、オゾン、紫外線を用いて養液中に繁殖する病原菌の殺菌を行なっていないので、養液中に含まれる鉄やマンガン濃度の低下を抑えることが可能となる。これにより、栽培床１３５で栽培する作物１３８の鉄やマンガン欠乏症を防止することができるようになる。また、従来の殺菌剤を用いた場合に起こり易い毒性物質の残留や蓄積による作物１３８自体および作物１３８を食した人畜への悪影響を阻止することが可能となり、総じて、循環経路中の病原菌の除去効果を著しく改善することができ、クリーンで衛生的な作物１３８を栽培することができるようになる。また、電解により殺菌処理を行うことができない水耕栽培システムにおいても有効となる。
【０１２０】
また、実施例の殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）による加熱殺菌処理では、上述した如く温度センサ１７の出力により、冷却部９から流出する温度に基づいて電動膨張弁１３の弁開度が制御されるため、養液槽２に返送される養液の温度を確実に、例えば＋２０℃に冷却することができる。
【０１２１】
更にまた、前述の如く加熱殺菌処理を夜間に行えば、例えば＋２０℃の状態で養液が養液槽２に返送され、栽培床１３５に送られることにより、特に、冬季の夜間において運転するので、栽培床１３５が設けられるハウス内の暖房も可能となる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、このヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段を備えるので、ヒートポンプの吸熱部において汲み上げた熱を放熱部に搬送することにより、効率的な加熱殺菌を実現して、省エネルギー型の殺菌装置を提供することが可能となる。特に、ヒートポンプを高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルで構成したので、放熱部において殺菌対象をより効率的に加熱し、殺菌処理することができるようになる。この場合、請求項８の如くＣＯ2冷媒を用いることにより、放熱部における冷媒温度が高くなり、より一層効果的な加熱殺菌作用が期待できる。
【０１２３】
また、殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、ヒートポンプの吸熱部に接続され、ヒートポンプの吸熱を利用して殺菌対象を冷却する冷却手段を備えるので、該冷却手段により殺菌処理された後の殺菌対象の温度を迅速に下げることができるようになる。それにより、特に請求項１２の如く高温の殺菌対象をそのまま返送することができない再循環式の水耕栽培システムにおいて、養液の殺菌処理に特に有効となる。
【０１２４】
更に、ヒートポンプの放熱部における急激な加熱と、吸熱部における急激な冷却により、殺菌対象に急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【０１２５】
特に、殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た殺菌対象を利用側に送る殺菌対象処理モードと、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを有するので、殺菌対象処理モードにおいて、殺菌対象を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。また、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行うため、経路内に残留した殺菌対象を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【０１２６】
これにより、経路内に残留した殺菌対象を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることができるようになる。そのため、殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留殺菌対象が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることにより、該殺菌対象の利用側に菌が混入することを回避することができるようになる。
【０１２７】
請求項２の発明によれば、上記において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有するので、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の殺菌対象を、クールダウンモードにおいて冷却手段により冷却し、直接殺菌処理手段に送る循環を行うことにより、経路内の温度を前記殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【０１２８】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、殺菌対象の利用側に高温の殺菌対象が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【０１２９】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたので、当該殺菌装置に給湯機能を備えることができるようになり、より一層利便性が向上する。
【０１３０】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むので、該貯留手段により殺菌対象の加熱処理に要する時間を確保し、殺菌処理効果を向上させることができるようになる。
【０１３１】
請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えるので、殺菌処理手段を経た殺菌対象から熱を回収し、殺菌対象の温度を上げた状態で殺菌処理手段に送ることができるようになる。これにより、ヒートポンプの運転効率を更に改善することができるようになる。
【０１３２】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えるので、冷却手段における流体からの吸熱を促進することができるようになる。これは、特に運転開始時に迅速に放熱部における殺菌作用を立ち上げることができるようになるものである。
【０１３３】
請求項７の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、送風機にれ冷却される補助放熱部を備えるので、当該補助放熱部を利用することにより、吸熱部の吸熱効率を向上させることができるようになる。これにより、当該ヒートポンプの放熱部と吸熱部の温度差を広げることができ、より急激な温度変化によるストレスを殺菌対象に与えることができるようになる。そのため、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【０１３４】
また、ヒートポンプにおける余分な熱を補助放熱部にて廃棄することが可能となり、高めの温度で流入した殺菌対象を適切な温度に冷却して利用側に返送することができるようになる。これにより、当該殺菌対象の利用側の温度管理を厳密に行うことができるようになり、利便性が向上する。
【０１３５】
請求項８の発明によれば、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮するようにしているので、高圧側における超臨界圧力を円滑に構成することができるようになる。また、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えるので、第１の圧縮要素の吐出冷媒を中間熱交換器により放熱させ、熱量バランスを取ることができるようになる。また、第１の圧縮要素の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の圧縮要素に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【０１３６】
請求項９の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いるので、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した殺菌装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【０１３７】
請求項１０の発明によれば、栽培床に養液を供給して植物栽培を行う水耕栽培システムにおいて、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うので、養液をオゾンや電解により殺菌することができない水耕栽培システムにおいて特に有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した一実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図２】 本発明を適用した他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図３】 本発明を適用したもう一つの他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図４】 本発明を適用した更にもう一つの他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図５】 本発明の殺菌装置を適用した水耕栽培システムを説明する図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１ 殺菌装置
２ 養液槽
２Ａ、２Ｂ 養液タンク
３ ポンプ
４、４３、４４ 流路
５ 加熱部
７ 貯留部
９ 冷却部
１０、２２、３３、４５ ヒートポンプ
１１ 圧縮機
１２ 放熱部
１３ 電動膨張弁（膨張部）
１４ 吸熱部
１５、２３、３４、４８ 冷媒配管
１６、１７、２７、２８、５０、５１ 温度センサ
２４ 第１の回転圧縮要素
２５ 中間熱交換器
２６ 第２の回転圧縮要素
２９、Ｆ 送風機
３２ 熱回収用熱交換器
３５ 内部熱交換器
４２ 三方弁
４６ 補助放熱部
４７ 電磁開閉弁
４９ 冷却用送風機
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジュースや酒などの流体や、固体、気体、特に、水耕栽培等に用いられる養液を殺菌処理するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば貯留槽などに貯留されたジュースや酒などの流体中に含まれる細菌やカビ、原虫などの微生物を除去する場合、流体をヒータにより加熱し、微生物の殺菌処理を行っていた。
【０００３】
一方、水耕栽培では、栽培床に作物の栽培に好適な割合で肥料を水に溶解した養液を循環させ、栽培床に植え付けられた作物を好適に生育させている。しかし、養液を循環させた栽培床の中はフザリウム菌（カビの一種）や青枯れ病菌などの病原菌の繁殖に好適な環境であり、栽培床中に病原菌が繁殖すると病害が発生し、収量が得られなくなり、最悪は、作物を枯らしてしまう。このため、養液をヒータで加熱したり、養液の循環経路中に透光性のジャケットに内装した紫外線或いはオゾンにて養液中に含まれる病原菌を滅菌させる構造の装置が実施されていた。
【０００４】
しかしながら、養液に紫外線を照射することによって殺菌処理する場合には、昨今、栽培床に、ロックウールや、ヤシガラ繊維、又は籾殻などが用いられるため、栽培床に循環される養液が濃い褐色などに変色してしまい、紫外線による殺菌効果は得られにくいと云う問題があった。また、養液をオゾンにより殺菌処理することも行われるが、有機物が多いため、かかる場合には、紫外線同様、養液中に殺菌しにくく、更に、当該養液中に含まれる鉄やマンガン濃度を低下させてしまう問題があった。
【０００５】
また、ヒータによる養液の加熱殺菌方法では、ランニングコストが高騰するという問題がある。更に、加熱した養液をそのまま栽培床中に戻すと、植物が枯れてしまうため加熱した養液を冷却する冷却装置も必要になる。このため、養液の加熱、冷却に大量のエネルギーを使用しなければならない問題があった。
【０００６】
そこで、加熱殺菌された後の養液と殺菌前の養液とを熱交換することにより、冷却に使用されるエネルギーを減少させる方法も採られているが、かかる場合であっても、ヒータによる養液の加熱では、ランニングコストの高騰は否めないという問題があった。
【０００７】
そこで、従来より、ヒートポンプを用いて流体（殺菌対象）を加温殺菌する殺菌装置が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。この殺菌装置は、ヒートポンプ内に冷媒が充填されており、圧縮機で高温高圧に圧縮された冷媒ガスが蒸気凝集器で凝縮液化されるときの凝縮潜熱を用いて加温部にある流体を加温殺菌するものであった。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２７６０３７７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のヒートポンプを用いた殺菌装置では、加温部にある流体を加熱殺菌する際に、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒ガスは、凝縮過程において一定の温度で放熱するために、加熱殺菌する流体を例えば＋２０℃から＋６４℃以上に加熱する場合には、仮に無限大の熱交換器で加熱したとしても流体間の温度差をゼロにすることはできない。そのために、熱交換器で発生する熱の不可逆損失は大きく、当該凝縮器で流体を効率的に加熱殺菌することができないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、省エネルギー型の殺菌装置であって、効率的に殺菌対象を加熱殺菌することができる殺菌装置及びそれを用いた水耕栽培システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の殺菌装置は、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、該ヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段と、該殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、前記ヒートポンプの吸熱部に接続され、該ヒートポンプの吸熱を利用して前記殺菌対象を冷却する冷却手段とを有し、前記殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を前記殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から前記冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た前記殺菌対象を前記利用側に送る殺菌対象処理モードと、前記ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、前記冷却手段を経た前記殺菌対象を直接前記殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを実行することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、このヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段を備えるので、ヒートポンプの吸熱部において汲み上げた熱を放熱部に搬送することにより、効率的な加熱殺菌を実現して、省エネルギー型の殺菌装置を提供することが可能となる。特に、ヒートポンプを高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルで構成したので、放熱部において殺菌対象をより効率的に加熱し、殺菌処理することができるようになる。この場合、請求項８の如くＣＯ2冷媒を用いることにより、放熱部における冷媒温度が高くなり、より一層効果的な加熱殺菌作用が期待できる。
【００１３】
また、殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、ヒートポンプの吸熱部に接続され、ヒートポンプの吸熱を利用して殺菌対象を冷却する冷却手段を備えるので、該冷却手段により殺菌処理された後の殺菌対象の温度を迅速に下げることができるようになる。それにより、特に請求項１２の如く高温の殺菌対象をそのまま返送することができない再循環式の水耕栽培システムにおいて、養液の殺菌処理に特に有効となる。
【００１４】
更に、ヒートポンプの放熱部における急激な加熱と、吸熱部における急激な冷却により、殺菌対象に急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【００１５】
特に、殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た殺菌対象を利用側に送る殺菌対象処理モードと、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを有するので、殺菌対象処理モードにおいて、殺菌対象を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。また、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行うため、経路内に残留した殺菌対象を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【００１６】
これにより、経路内に残留した殺菌対象を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることができるようになる。そのため、殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留殺菌対象が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることにより、該殺菌対象の利用側に菌が混入することを回避することができるようになる。
【００１７】
請求項２の発明の殺菌装置は、上記発明において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２の発明によれば、上記において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有するので、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の殺菌対象を、クールダウンモードにおいて冷却手段により冷却し、直接殺菌処理手段に送る循環を行うことにより、経路内の温度を前記殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【００１９】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、殺菌対象の利用側に高温の殺菌対象が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【００２０】
請求項３の発明の殺菌装置は、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたので、当該殺菌装置に給湯機能を備えることができるようになり、より一層利便性が向上する。
【００２２】
請求項４の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むことを特徴とする。
【００２３】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むので、該貯留手段により殺菌対象の加熱処理に要する時間を確保し、殺菌処理効果を向上させることができるようになる。
【００２４】
請求項５の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えるので、殺菌処理手段を経た殺菌対象から熱を回収し、殺菌対象の温度を上げた状態で殺菌処理手段に送ることができるようになる。これにより、ヒートポンプの運転効率を更に改善することができるようになる。
【００２６】
請求項６の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えるので、冷却手段における流体からの吸熱を促進することができるようになる。これは、特に運転開始時に迅速に放熱部における殺菌作用を立ち上げることができるようになるものである。
【００２８】
請求項７の発明の殺菌装置は、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、送風機にて冷却される補助放熱部を備えることを特徴とする。
【００２９】
請求項７の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、 送風機にて冷却される補助放熱部を備えるので、当該補助放熱部を利用することにより、吸熱部の吸熱効率を向上させることができるようになる。これにより、当該ヒートポンプの放熱部と吸熱部の温度差を広げることができ、より急激な温度変化によるストレスを殺菌対象に与えることができるようになる。そのため、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【００３０】
また、ヒートポンプにおける余分な熱を補助放熱部にて廃棄することが可能となり、高めの温度で流入した殺菌対象を適切な温度に冷却して利用側に返送することができるようになる。これにより、当該殺菌対象の利用側の温度管理を厳密に行うことができるようになり、利便性が向上する。
【００３１】
請求項８の発明の殺菌装置は、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮すると共に、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えることを特徴とする。
【００３２】
請求項８の発明によれば、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮するようにしているので、高圧側における超臨界圧力を円滑に構成することができるようになる。また、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えるので、第１の圧縮要素の吐出冷媒を中間熱交換器により放熱させ、熱量バランスを取ることができるようになる。また、第１の圧縮要素の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の圧縮要素に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【００３３】
請求項９の発明の殺菌装置は、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いることを特徴とする。
【００３４】
請求項９の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いるので、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した殺菌装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００３５】
請求項１０の発明の水耕栽培システムは、栽培床に養液を供給して植物栽培を行うものであって、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うことを特徴とする。
【００３６】
請求項１０の発明によれば、栽培床に養液を供給して植物栽培を行う水耕栽培システムにおいて、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うので、養液をオゾンや電解により殺菌することができない水耕栽培システムにおいて特に有効なものとなる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態を詳述する。図１は本発明を適用した実施例としての殺菌装置１の概略構成図を示している。本実施例における殺菌装置１は、例えば後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液（殺菌対象）の加熱殺菌処理を行うものである。図１において、２は本実施例における殺菌対象としての養液を貯溜した養液槽であり、この養液槽２には、ポンプ３が介設された流路４を介して加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。
【００３８】
また、図１において、１０はヒートポンプであり、冷媒配管１５を介して圧縮機１１と、放熱部１２と、膨張部として例えば電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されて環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２を流れる冷媒は、上記養液が循環する加熱部５と対向流となるように設けられると共に、吸熱部１４は同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、圧縮機１１は密閉容器内に電動要素とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納して成るロータリコンプレッサである。
【００３９】
また、本実施例では、ヒートポンプ１０内には冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。更に、１６は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１６の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。１７は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００４０】
以上の構成により、本実施例における殺菌装置１の動作について説明する。ヒートポンプ１０の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルから、圧縮機１１の密閉容器内に設けられた前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動して図示しないロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた偏心部に嵌合されたローラが前記回転圧縮要素のシリンダ内を偏心回転する。これにより、前記シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラとベーンの作用により圧縮されて例えば＋８６℃の高温高圧の冷媒ガスとなり、シリンダの高圧室側から吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００４１】
圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ１０は、高圧側が超臨界圧力となるので、放熱部１２において冷媒（ＣＯ2）は液化することなく気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００４２】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１内の前記回転圧縮要素に吸い込まれる。
【００４３】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合でポンプ３より加熱部５に搬送される。加熱部５では上述した如くヒートポンプ１０の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ１６に基づき圧縮機１１を運転制御することにより、より精度良く制御される。
【００４４】
ここで、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００４５】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである。
【００４６】
貯留部７から流出した養液（温度は＋６７℃程）は次に冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ１０の吸熱部１４で蒸発する冷媒と熱交換することにより、養液からは熱が奪われ、その温度は所定の温度、例えば＋２０℃にまで下げられる（冷却ステップ）。このとき、冷却部９における吸熱部１４の養液冷却作用は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき、電動膨張弁１３の弁開度を制御することで精度良く制御される。
【００４７】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ１０の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ１０の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ１０は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００４８】
また、本発明において用いられるヒートポンプ１０には、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００４９】
更にまた、上述した如く、ヒートポンプ１０の放熱部１２における急激な加熱と、吸熱部１４における急激な冷却により、殺菌対象である養液中の菌などに急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、より一層高い殺菌効果を得ることができるようになる。特に、芽胞菌のような菌の処理に有効となる。
【００５０】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００５１】
次に、本発明を適用した他の実施例としての殺菌装置２１について図２を参照して説明する。図２はこの場合の本発明の殺菌装置２１の概略構成図を示している。尚、この実施例において図１と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の実施例における殺菌装置２１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。本実施例における養液槽２は、ポンプ３が介設された流路４を介して加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。
【００５２】
また、図２において、２２はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ２２には、圧縮機１１として密閉容器内に図示しない電動要素と第１及び第２の回転圧縮要素２４、２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサが用いられている。そして、このヒートポンプ２２は、冷媒配管２３を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４と、中間熱交換器２５と、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２６と、放熱部１２と、電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されることにより、環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２は、上記養液が循環する加熱部５と交熱的に設けられると共に、吸熱部１４は、同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、本実施例においても、ヒートポンプ１０内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。また、中間熱交換器２５には通風用の送風機２９が設けられている。
【００５３】
図２において、２７は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２７の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。２８は圧縮機１１の第２の圧縮要素２６から吐出された冷媒の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ２８の出力に基づき、送風機２９の運転制御が行われる。１７は上記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００５４】
以上の構成により、この場合の殺菌装置２１の動作について説明する。ヒートポンプ２２の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルにより、圧縮機１１の前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動してロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた図示しない上下偏心部に嵌合された図示しない上下ローラが第１及び第２の回転圧縮要素２４、２５を構成する上下シリンダ内で偏心回転する。これにより、第１の回転圧縮要素２４の下シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、下ローラとベーンの作用により圧縮されて中間圧となり、下シリンダの高圧室側より圧縮機１１の密閉容器内に吐出される。これによって、密閉容器内は中間圧となる。
【００５５】
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスは一旦密閉容器外に出て中間熱交換器２５を通過し、冷媒はそこで空冷され、今度は密閉容器内の第２の回転圧縮要素２６の上シリンダの低圧室側に吸入され、上ローラとベーンの作用により２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から外部に吐出される。このとき、冷媒は＋８６℃程となり、適切な超臨界圧力まで圧縮されている。尚、このとき、第２の回転圧縮要素２６から吐出される冷媒温度は、温度センサ２８により検出され、これに基づき送風機２９が制御され、所定の温度に調整されるものとする。
【００５６】
このとき、圧縮機１１は上述した如く第１の回転圧縮要素２４及び第２の回転圧縮要素２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。即ち、第１の回転圧縮要素２４に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の回転圧縮要素２６に吸い込んで圧縮することができるため、ＣＯ2冷媒を効率的に超臨界圧力まで圧縮することが可能となる。
【００５７】
更にまた、第１の回転圧縮要素２４から吐出される冷媒は、中間熱交換器２５により放熱させるため、熱量バランスを取ることができるようになる（例えば冷媒は中間熱交換器２５において８．７５ｄｅｇの熱量を放出する）。また、中間熱交換器２５で第１の回転圧縮要素２４の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の回転圧縮要素２６に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【００５８】
上述した如く圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより、熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ２２も超臨界圧力にまで圧縮された冷媒（ＣＯ2）を用いているため、当該放熱部１２において、冷媒は液化することなく、気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００５９】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する（このときの冷媒温度は＋１８℃程）。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４に吸い込まれる。
【００６０】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合でポンプ３より加熱部５に搬送される。加熱部５では上述した如くヒートポンプ２２の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ。冷媒から養液に５０ｄｅｇの熱量が移動する）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ１６に基づき圧縮機１１を運転制御することにより、より精度良く制御される。
【００６１】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００６２】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである（この貯留部７で例えば３ｄｅｇの熱量が失われる）。
【００６３】
貯留部７から流出した養液（温度は＋６７℃程）は次に冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ２２の吸熱部１４で蒸発する冷媒と熱交換することにより、養液からは熱が奪われ、その温度は所定の温度、例えば＋２０℃にまで下げられる（冷却ステップ。このときに養液から冷媒に４７ｄｅｇの熱量が移動する）。この場合の冷却部９における吸熱部１４の養液冷却作用は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき、電動膨張弁１３の弁開度を制御することで精度良く制御される。
【００６４】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ２２の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ２２の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置２１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ２２は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００６５】
また、この場合のヒートポンプ２２も高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００６６】
更にまた、上述した如く、ヒートポンプ２２の放熱部１２における急激な加熱と、吸熱部１４における急激な冷却により、殺菌対象である養液中の菌などに急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、より一層高い殺菌効果を得ることができるようになる。特に、芽胞菌のような菌の処理に有効となる。
【００６７】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００６８】
次に、本発明を適用したもう一つの他の実施例としての殺菌装置３１について図３を参照して説明する。図３はこの場合の殺菌装置３１の概略構成図を示している。尚、本実施例において図１、図２と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の殺菌装置３１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。本実施例における養液槽２は、ポンプ３が介設された流路４を介して熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａ、加熱部５、貯留部７（尚、これら加熱部５及び貯留部７により殺菌処理手段を構成するものとする。）、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂ、冷却部９（冷却手段）が順次接続され、養液の循環サイクルを構成している。尚、熱回収用熱交換器３２は、吸熱側３２Ａを通る殺菌対象としての殺菌処理前の養液と放熱側３２Ｂを通る殺菌処理した後の養液との熱交換を行うものである。
【００６９】
また、図３においては３３はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ３３には、圧縮機１１として密閉容器内図示しない電動要素とこの電動要素で駆動される第１及び第２の回転圧縮要素２４、２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサが用いられている。そして、このヒートポンプ３３は、冷媒配管３４を介して圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４と、圧縮機１１の第２の回転圧縮要素２６と、放熱部１２と、内部熱交換器３５の放熱側３５Ａと、電動膨張弁１３と、吸熱部１４と、内部熱交換器３５の吸熱側３５Ｂとが順次接続されることにより、環状の冷凍サイクルを構成している。ここで、放熱部１２は、上記養液が循環する加熱部５と交熱的に設けられると共に、吸熱部１４は、同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。また、内部熱交換器３５は、放熱側３５Ａを通る放熱部１２を出た高圧側の冷媒ガスと吸熱側３５Ｂを通る吸熱部１４を出た低圧側の冷媒ガスとの熱交換を行うものである。尚、本実施例においても、ヒートポンプ３３内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。
【００７０】
図３において、３６は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ３６の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。１７は前記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ１７の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御が行われる。
【００７１】
以上の構成により、この場合の殺菌装置３１の動作について説明する。ヒートポンプ３３の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルにより、圧縮機１１の前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動してロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた図示しない上下偏心部に嵌合された図示しない上下ローラが第１及び第２の回転圧縮要素２４、２５を構成する上下シリンダ内で偏心回転する。これにより、第１の回転圧縮要素２４の下シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、下ローラとベーンの作用により圧縮されて中間圧となり、下シリンダの高圧室側より圧縮機１１の密閉容器内に吐出される。これによって、密閉容器内は中間圧となる。
【００７２】
そして、密閉容器内の中間圧の冷媒ガスは、今度は密閉容器内の第２の回転圧縮要素２６の上シリンダの低圧室側に吸入され、上ローラとベーンの作用により２段目の圧縮が行われて高温高圧の冷媒ガスとなり、高圧室側から外部に吐出される。このとき、冷媒は＋８６℃程となり、適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００７３】
このとき、圧縮機１１は上述した如く第１の回転圧縮要素２４及び第２の回転圧縮要素２６を備えた内部中間圧型多段（２段）圧縮式ロータリコンプレッサである。即ち、第１の回転圧縮要素２４に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の回転圧縮要素２６に吸い込んで圧縮することができるため、ＣＯ2冷媒を効率的に超臨界圧力まで圧縮することが可能となる。
【００７４】
上述した如く圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより、熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ３３も超臨界圧力にまで圧縮された冷媒（ＣＯ2）を用いているため、当該放熱部１２において、冷媒は液化することなく、気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００７５】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、＋６８℃程に温度低下して内部熱交換器３５の放熱側３５Ａに流入し、内部を通過する。冷媒はそこで低圧側の冷媒に熱を奪われて更に冷却され、＋４０℃程となる。尚、内部熱交換器３５を設けることにより、吸熱部１４における冷媒ガスの冷却能力が向上する。
【００７６】
内部熱交換器３５にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、電動膨張弁１３に至る。尚、本実施例においても電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する（このときの冷媒温度は＋１８℃程）。
【００７７】
その後、冷媒は吸熱部１４から流出して、内部熱交換器３５の吸熱側３５Ｂを通過する。そこで前記高圧側の冷媒から熱を奪い、加熱作用を受けることにより、冷媒は略完全に気体の状態となる。そして、冷媒は気体の状態で再び圧縮機１１の第１の回転圧縮要素２４に吸い込まれる。
【００７８】
一方、養液槽２内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受け、この時点で養液の温度は＋６４℃程となる（熱交換ステップ。加熱処理後の養液からの熱移動は４４ｄｅｇ）。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ３３の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ。このときの冷媒からの熱移動は６ｄｅｇ）。尚、養液は、熱回収用熱交換器３２により、一旦、加熱処理された後の養液と熱交換しているため、上記実施例と比較して、加熱部５におけるエネルギー消費量を削減することができる。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ３６に基づき圧縮機の制御を行うことにより、より精度良く制御される。
【００７９】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００８０】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、その後貯留部７に流入し、ここで例えば約１５分間貯留される（貯留ステップ）。これにより、養液を本実施例では約＋６７℃乃至＋７０℃で１５分加熱処理することが可能となり、確実に殺菌時間を確保して加熱殺菌の効果を高めることができる。尚、この貯留部７は、例えば養液を３０Ｌ貯留することが可能な容量を有するタンクである（この貯留部７で例えば３ｄｅｇの熱量が失われる）。
【００８１】
そして、貯留部７から流出した養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて、＋２３℃程まで冷却される（熱交換ステップ。このときの熱移動は４４ｄｅｇ）。その後、養液は冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ３３の吸熱部１４の冷媒と熱交換することにより、更に冷却され、所定の温度、例えば＋２０℃にまで冷却される（冷却ステップ。このときの養液から冷媒への熱移動は３ｄｅｇ）。冷却部９における養液の冷却温度は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ１７に基づき電動膨張弁１３の弁開度を制御することにより、精度良く制御される。
【００８２】
このようにして所定温度（＋２０℃）にまで冷却された状態で養液は養液槽２に返送される。これにより、殺菌対象である養液はヒートポンプ３３の放熱部１２から生じる熱を利用して加熱殺菌され、また、加熱殺菌された後の養液は、ヒートポンプ３３の吸熱部１４の吸熱作用を利用して、効率的に加熱前の養液の温度にまで冷却される。これにより、省エネルギー型の殺菌装置３１を提供することができるようになる。また、ヒートポンプ３３は、殺菌対象である養液を利用して放熱部１２における冷媒の冷却、及び、吸熱部１４における冷媒の蒸発を促進することができるため、養液の加熱殺菌による室内温度の上昇を抑制することができ、例えば夏季であっても格別な空調装置による冷房運転を回避することができるようになる。
【００８３】
また、この場合のヒートポンプ３３も高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルにより構成されていると共に、冷媒にはＣＯ2が用いられているため、放熱部１２における冷媒温度を通常の冷凍サイクルよりも高く、例えば前述した約＋８６℃とすることができ、より一層養液の殺菌効果を向上させることができる。また、ＣＯ2はオゾン破壊を生じない物質であるため、ノンフロン化を実現することができ、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下とすることができる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【００８４】
尚、養液槽２に返送された養液は再びポンプ３により加熱部５から貯留部７、熱回収用熱交換器３２、冷却部９へと繰り返し循環される。このような循環サイクルが構成されることにより、養液を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。これにより、養液の殺菌効率は一層向上する。
【００８５】
特に、この場合の殺菌装置３１によれば、加熱部５に送られる養液と、加熱部５を経た養液とは、熱回収用熱交換器３２にて熱交換を行うため、効率的に熱回収することができ、エネルギー効率を改善することができるようになる。
【００８６】
ここで、図３中破線で示すようにヒートポンプ３３の吸熱部１４及び冷却部９に流通手段として例えば送風機Ｆを設けても良いものとする。係る送風機Ｆを設けて吸熱部１４及び冷却部９に外気を通風すれば、吸熱部１４における外気からの吸熱（熱の汲み上げ）を促進することができるようになる。これは特に運転開始時（プルダウン）の放熱部１２における殺菌作用の立ち上げに有効となる。尚、ここでは、流通手段としての送風機Ｆを設けているが、これ以外に、水や油などと冷却部９を熱交換させることによっても、該水や油などの熱量からの吸熱（熱の汲み上げ）を促進することができるものとする。
【００８７】
次に、本発明を適用した更にもう一つの他の実施例としての殺菌装置４１について図４を参照して説明する。図４は係る実施例における殺菌装置４１の概略構成図を示している。尚、本実施例において図１、図２又は図３と同一の符号を付したものは、同一若しくは、同様の機能を奏するものとする。この場合の殺菌装置４１も、後に詳述する水耕栽培システムに用いられる養液の加熱殺菌処理を行うものである。
【００８８】
本実施例における養液槽（殺菌対象の利用側）は、養液タンク２Ａと養液タンク２Ｂとから構成されており、これらは図示しない回路にて接続されている。養液タンク２Ａは、ポンプ３が介設された流路４を介して熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａ、加熱部５（尚、係る実施例では、加熱部５のみで殺菌処理手段を構成するものとする。）、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂ、冷却部９（冷却手段）とモード切替手段としての三方弁４２が順次接続され、当該三方弁４２の一方の出口が流路４３を介して養液タンク２Ｂに接続され、養液の循環サイクルを構成している。尚、三方弁４２の残りの出口は、流路４４を介して直接ポンプ３が介設された流路４に接続される。尚、熱回収用熱交換器３２は、吸熱側３２Ａを通る殺菌対象としての殺菌処理前の養液と放熱側３２Ｂを通る殺菌処理した後の養液との熱交換を行うものである。
【００８９】
また、図４においては４５はヒートポンプであり、当該ヒートポンプ４５には、冷媒配管１５を介して圧縮機１１と、放熱部１２と、近傍に冷却用送風機４９が設けられた補助放熱部４６と、膨張部として例えば電動膨張弁１３と、吸熱部１４とが順次接続されて環状の冷凍サイクルを構成している。また、補助放熱部４６の下流側であって、吸熱部１４の上流側には、電磁開閉弁４７が介設された冷媒配管４８が接続され、当該冷媒配管４８の他端は、吸熱部１４の下流側に接続される。尚、当該冷媒配管４８は、吸熱部１４の上流側ではなく、更に上流側、即ち、電動膨張弁１３の上流側に接続されていても良いものとする。ここで、放熱部１２を流れる冷媒は、上記養液が循環する加熱部５と対向流となるように設けられると共に、吸熱部１４は同じく養液が循環する冷却部９と交熱的に設けられている。尚、圧縮機１１は密閉容器内に電動要素とそれにより駆動される回転圧縮要素とを収納して成るロータリコンプレッサである。尚、本実施例においても、ヒートポンプ４５内には、冷媒として地球環境にやさしく、可燃性及び毒性等を考慮して自然冷媒である二酸化炭素（ＣＯ2）が充填されている。
【００９０】
図４において、５０は加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ５０の出力の基づき、圧縮機１１の運転制御が行われる。５１は前記実施例と同様に冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサであり、当該温度センサ５１の出力に基づき、電動膨張弁１３の弁開度の制御、三方弁４２の切換制御、補助放熱部４６の冷却用送風機４９の運転制御が行われる。
【００９１】
以上の構成により、この場合の殺菌装置４１の殺菌対象処理モードについて説明する。ヒートポンプ４５の圧縮機１１に設けられた図示しないターミナルから、圧縮機１１の密閉容器内に設けられた前記電動要素のステータコイルに通電されると、電動要素が起動して図示しないロータが回転する。この回転により図示しない回転軸と一体に設けられた偏心部に嵌合されたローラが前記回転圧縮要素のシリンダ内を偏心回転する。これにより、前記シリンダの低圧室側に吸入された低圧の冷媒ガスは、ローラとベーンの作用により圧縮されて例えば＋８６℃の高温高圧の冷媒ガスとなり、シリンダの高圧室側から吐出される。このとき、冷媒は適切な超臨界圧力まで圧縮されている。
【００９２】
圧縮機１１から吐出された冷媒ガスは放熱部１２に流入し、そこで当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。尚、ここで本発明におけるヒートポンプ４５は、高圧側が超臨界圧力となるので、放熱部１２において冷媒（ＣＯ2）は液化することなく気体の状態を維持したままで温度が低下する。
【００９３】
そして、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、当該殺菌対象処理モードにおいて、電磁開閉弁４７が閉鎖されていることから、近傍の冷却用送風機４９が運転された補助放熱部４６を介して電動膨張弁１３に至る。尚、電動膨張弁１３の入口では冷媒ガスは未だ気体状態であるが、電動膨張弁１３における圧力低下により、ガスと液体の二相混合体とされ、その状態で吸熱部１４内に流入する。そこで冷媒は蒸発し、当該吸熱部１４と交熱的に配設された冷却部９から吸熱（熱の汲み上げ）することにより冷却作用を発揮する。尚、ここで冷媒は冷却部９と熱交換することにより気体の状態となり、再び圧縮機１１内の前記回転圧縮要素に吸い込まれる。
【００９４】
一方、養液タンク２Ａ内の養液は、殺菌対象処理モードでは、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受け、この時点で養液の温度は＋６４℃程となる（熱交換ステップ）。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ４５の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度、例えば＋７０℃にまで昇温される（殺菌処理ステップ）。このとき、放熱部１２における養液の加熱温度は、加熱部５から流出した養液の温度を検出する温度センサ５０に基づき圧縮機の制御を行うことにより、より精度良く制御される。
【００９５】
本実施例においても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【００９６】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて、＋２３℃程まで冷却される（熱交換ステップ）。その後、養液は冷却部９内に流入し、上述した如くヒートポンプ４５の吸熱部１４の冷媒と熱交換することにより、更に冷却され、所定の温度、例えば＋２０℃にまで冷却される（冷却ステップ）。冷却部９における養液の冷却温度は、冷却部９から流出した養液の温度を検出する温度センサ５１に基づき電動膨張弁１３の弁開度を制御することにより、精度良く制御される。
【００９７】
また、本実施例における殺菌装置４１では、温度センサ５１により検出された温度が所定温度以下である場合には、前記三方弁４２を流路４４側に切り換え、前記補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転を停止する。これにより、流路４と、熱回収用熱交換器３２と、加熱部５と、冷却部９とにより構成される養液の回路は、養液タンク２Ａ及び２Ｂと隔絶された回路となる。また、冷却用送風機４９が停止されることから、ヒートポンプ４５の補助放熱部４６における冷却能力が低下し、吸熱部１４による冷却効率が低下する。これにより、当該吸熱部１４と熱交換する冷却部９における養液を冷却する能力が低下し、養液タンク２Ａ及び２Ｂと隔絶された養液の回路内の温度上昇を図ることができるようになる。
【００９８】
そして、温度センサ５１により検出された温度が所定温度以上となった場合には、前記三方弁４２を流路４３側に切り換え、前記補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転を再開する。そして、上述した如き養液タンク２Ａ及び２Ｂ内の養液を殺菌処理する通常運転を再開される。これにより、補助放熱器４６の冷却用送風機４９の運転制御や三方弁４２の切換により、容易に、冷却部９の冷却能力の調整を行うことができるため、殺菌処理後の養液の温度調整が容易となる。
【００９９】
一方、上述した如く養液タンク２Ａ及び２Ｂ内の養液の殺菌処理が終了すると、作業者は、ポンプ３の運転を停止すると共に、ヒートポンプ４５の運転を停止する。このとき、流路４、熱回収用熱交換器３２、加熱部５、冷却部９などの経路内の養液は、ポンプ３の運転停止により、内部に残留する。そして、次回、ポンプ３が運転され、殺菌処理が再開されるまでは、常温に維持されることとなる。そのため、これら内部経路に残留した養液は、運転終了時に僅かな菌が残留しているだけで、次回の殺菌処理開始時までに、大量の菌が増殖する。そして大量の菌が混入した養液は、次回の殺菌処理運転時に養液タンク２Ｂ内に流入することとなるため、当該養液の殺菌処理の有効性が失われる問題がある。
【０１００】
そこで、係る実施例では、当該殺菌処理の運転開始前に、経路加熱殺菌モードを実行する。ヒートポンプ４５の圧縮機１１は上記殺菌対象処理モードと同様に冷媒を適切な超臨界圧力まで圧縮した後、放熱部１２に吐出される。放熱部１２では当該放熱部１２と交熱的に配設された加熱部５と熱交換することにより熱を奪われて冷却される。
【０１０１】
ここで、経路加熱殺菌モードでは、電磁開閉弁４７が開放され、冷却用送風機４９が運転停止とされていることから、放熱部１２にて冷却された高圧側の冷媒ガスは、近傍の冷却用送風機４９が運転停止された補助放熱部４６内に流入する。その後、電磁開閉弁４７が開放されていることから、吸熱部１４内に流入することなく、冷媒配管４８を介して、圧縮機１１に帰還する。これにより、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱は停止させた状態となり、吸熱部１４と冷却部９との熱交換は行われないこととなる。
【０１０２】
一方、経路加熱殺菌モードでは、三方弁４２が流路４４側に切り換えられていることから、流路４や熱回収用熱交換器３２、加熱部５、冷却部９により構成される経路内の養液は、例えば、２Ｌ／ｍｉｎの割合で、ポンプ３より熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａに流入し、ここで養液は加熱処理された後の養液から熱を奪い、加熱作用を受ける。熱回収用熱交換器３２の吸熱側３２Ａから流出した養液は、加熱部５に搬送される。加熱部５では、上述した如くヒートポンプ４５の放熱部１２と熱交換することにより、養液は所定の温度にまで昇温される。
【０１０３】
かかる経路加熱殺菌モードにおいても、放熱部１２から加熱部５に与えられる熱は、超臨界圧力にまで圧縮された凝縮することのない高温冷媒によるものであるため、加熱部５の入口から出口まで略均一の割合で養液を昇温させることができる。そのため、従来の如く放熱部（凝縮器）において冷媒が液化する場合に比して、冷媒と養液との温度差が加熱部の入口から出口に渡って略均一化され、熱交換時のエネルギーロスが少なくなり、効率的な加熱殺菌を実現することができるようになる。
【０１０４】
そして、加熱部５にて加熱された養液は、熱回収用熱交換器３２の放熱側３２Ｂを通り、ここで前記加熱殺菌処理前の養液と熱交換することにより熱を奪われて少許冷却される。その後、養液は、上述した如く熱交換が行われない冷却部９内に流入し、再び三方弁４２を介してポンプ３により熱回収用熱交換器３２に送出される。これにより、経路内の養液は、上述の如く循環することにより、昇温され、本実施例では、温度センサ５１により検出される温度が＋６０℃となるまで当該経路内の養液の循環を行う。尚、このとき、経路内は、該経路内の養液が昇温されることから圧力が上昇するが、ポンプ３と、三方弁４２に接続された流路４４との間において、養液タンク２Ａの流路４が開放して接続されていることから、当該圧力により、養液タンク２Ａ内の養液を経路内に供給され、経路内の圧力上昇を防止することができる。
【０１０５】
また、このとき、ヒートポンプ４５の吸熱部１４は、吸熱を停止させた状態であるため、圧縮機１１に通電された電力の分だけ、放熱部１２から熱が放出されるため、効率的に加熱部５において経路内の養液の加熱を行うことができるようになる。
【０１０６】
これにより、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱を停止させた状態で、冷却部９を経た殺菌対象としての養液を養液タンク２Ａ、２Ｂに戻すことなく直接熱回収用熱交換器３２、加熱部５に送る循環を行うため、経路内に残留した養液を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【０１０７】
そのため、経路内に残留した養液を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留養液を養液タンク２Ｂに送ることができるようになる。そのため、上述した如く殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留養液が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留養液を養液タンク２Ｂに送ることにより、該養液タンク２Ｂや２Ａに菌が混入することを回避することができるようになる。
【０１０８】
その後、上述した如く温度センサ５１により検出される温度が＋６０℃となった時点で、電磁開閉弁４７を閉鎖し、ヒートポンプ４５内の冷媒を電動膨張弁１３内に流入させ、ヒートポンプの吸熱部１４による吸熱を再開させるクールダウンモードを実行する。係るクールダウンモードでは、冷却部９を経た養液を養液タンク２Ａ、２Ｂに戻すことなく直接熱回収用熱交換器３２、加熱部５に送る循環を行いながら、冷却部９において冷却を行うため、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の養液を、通常の殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【０１０９】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、養液タンク２Ｂに高温の養液が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【０１１０】
尚、係る実施例において、図４中破線で示すように養液の経路内に、例えば三方弁４２の下流側であってポンプ３の上流側に位置して給水手段５２を設け、冷却部９の下流側であって三方弁４２の上流側に位置して排水手段５３を設けても良いものとする。そして、上述した如き経路加熱殺菌モードにおいて、養液に代えて外部から給水手段５２により経路内に引き入れた水を熱回収用熱交換器３２及び加熱部５に送り、この加熱部５にて加熱された後の水を冷却部９及び排水手段５３を経て外部に流出させることにより、所定温度にまで加熱された湯水を外部に取り出すことができる給湯運転を実行することができるようになる。係る湯水は、所定温度にまで加熱され菌が処理された後のものであるため、例えば水耕栽培などにおいて用いられる器具や植物自体に使用することができるようになり、利便性が向上する。
【０１１１】
尚、上記各実施例では、圧縮機としてロータリーコンプレッサが用いられているが、他の構成によるものであっても本発明を実施することができる。
【０１１２】
ここで、上述した本発明の殺菌装置１、２１、３１、４１を水耕栽培システム３０に採用した場合の実例を、図５を用いて説明する。図５において養液タンク１３６に蓄えられた２次養液（２次養液とは、栽培床１３５で植物、或いはベッドに吸収されなかった）は循環ポンプ１３７で送り出され、活性炭などが用いられた濾過タンク１３１で有機物などのゴミが除去された後、貯液タンク１３２に流入し、そこで一旦貯液される。貯液タンク１３２に貯留された養液は、糸巻きフィルターなどからなるカートリッジフィルター１３３に流入し濾過タンク１３１で除去されなかったゴミが除去された後、導入口１０２から前述した本発明の殺菌装置１（又は、２１、３１又は４１）における養液槽２内に流入する。
【０１１３】
養液槽２に流入した養液は、前述の如く流路４を循環され、殺菌装置１（２１、３１、４１）により加熱殺菌処理されて養液中に繁殖する菌、特に、栽培床１３５中の植物としての作物１３８の根を傷めるフザリウム菌或いは他の細菌など（以降これらを病原菌と称す）が取り除かれる。このように病原菌が取り除かれた養液槽２内の養液は排出口１０４より流出して養液調整タンク１３４に流入する。この場合、例えば１日に１回、夜間などに殺菌装置１（２１、３１、４１）及びポンプ３を運転し、養液槽２の養液の加熱殺菌処理を行うものとする。
【０１１４】
尚、１４０は用水（この場合、用水には水道水或いは地下水などが用いられる）で、循環経路を循環する養液は、作物１３８に吸収され、また、自然蒸発により少なくなっていくので、少なくなった養液量分の用水１４０が補充される。
【０１１５】
また、養液調整タンク１３４は、栽培床１３５内の養液に栽培床１３５に植え付けられた作物１３８の生育に不足している養分がある場合、肥料調整装置１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ（この場合、作物１３８の生育に不足すると思われるマグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）、他肥料（養分）などがそれぞれ別々に肥料調整装置１３４Ａ、１３４Ｂ、１３４Ｃ、１３４Ｄ内に収納されている）から不足する養分が選択されて養液調整タンク１３４内に投入される。
【０１１６】
これにより、養液調整タンク１３４内は、栽培床１３５に植え付けられた作物１３８の生育に適した養分を含んだ養液に調整される。そして、作物１３８の生育に適した養分に調整された養液は、養液調整タンク１３４から作物１３８が植え付けられた栽培床１３５に流入し、そこで、所定量の養液が作物１３８に吸収され、養分が薄くなった２次養液は排水されて養液タンク１３６に戻り再度循環ポンプ１３７で送り出されリサイクル液として循環を繰り返す。
【０１１７】
このように、栽培床１３５から出た２次養液を当該栽培床１３５に再循環させる経路中に殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）を設けることにより、養液及び２次養液が流れる経路を循環する養液中に含まれる病原菌を効率的に加熱殺菌することが可能となる。また、本発明の殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）では、加熱殺菌した後、所定の温度まで冷却して養液槽２に返送するため、高温の養液をそのまま返送することが不可能な図４の如き水耕栽培システムで特に有効となる。
【０１１８】
また、養液の加熱及び冷却は、上述した如くヒートポンプ１０（又は、２２、３３、４５）を利用して行われるため、従来のように電気ヒータを用いた養液の加熱殺菌に対して大量のエネルギーも不要となり、大幅な省エネルギー化を図ることが可能となる。
【０１１９】
更にまた、オゾン、紫外線を用いて養液中に繁殖する病原菌の殺菌を行なっていないので、養液中に含まれる鉄やマンガン濃度の低下を抑えることが可能となる。これにより、栽培床１３５で栽培する作物１３８の鉄やマンガン欠乏症を防止することができるようになる。また、従来の殺菌剤を用いた場合に起こり易い毒性物質の残留や蓄積による作物１３８自体および作物１３８を食した人畜への悪影響を阻止することが可能となり、総じて、循環経路中の病原菌の除去効果を著しく改善することができ、クリーンで衛生的な作物１３８を栽培することができるようになる。また、電解により殺菌処理を行うことができない水耕栽培システムにおいても有効となる。
【０１２０】
また、実施例の殺菌装置１（又は、２１、３１、４１）による加熱殺菌処理では、上述した如く温度センサ１７の出力により、冷却部９から流出する温度に基づいて電動膨張弁１３の弁開度が制御されるため、養液槽２に返送される養液の温度を確実に、例えば＋２０℃に冷却することができる。
【０１２１】
更にまた、前述の如く加熱殺菌処理を夜間に行えば、例えば＋２０℃の状態で養液が養液槽２に返送され、栽培床１３５に送られることにより、特に、冬季の夜間において運転するので、栽培床１３５が設けられるハウス内の暖房も可能となる。
【０１２２】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、このヒートポンプの放熱部に接続され、ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段を備えるので、ヒートポンプの吸熱部において汲み上げた熱を放熱部に搬送することにより、効率的な加熱殺菌を実現して、省エネルギー型の殺菌装置を提供することが可能となる。特に、ヒートポンプを高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルで構成したので、放熱部において殺菌対象をより効率的に加熱し、殺菌処理することができるようになる。この場合、請求項８の如くＣＯ2冷媒を用いることにより、放熱部における冷媒温度が高くなり、より一層効果的な加熱殺菌作用が期待できる。
【０１２３】
また、殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、ヒートポンプの吸熱部に接続され、ヒートポンプの吸熱を利用して殺菌対象を冷却する冷却手段を備えるので、該冷却手段により殺菌処理された後の殺菌対象の温度を迅速に下げることができるようになる。それにより、特に請求項１２の如く高温の殺菌対象をそのまま返送することができない再循環式の水耕栽培システムにおいて、養液の殺菌処理に特に有効となる。
【０１２４】
更に、ヒートポンプの放熱部における急激な加熱と、吸熱部における急激な冷却により、殺菌対象に急激な温度変化によるストレスを与えることができるようになり、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【０１２５】
特に、殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た殺菌対象を利用側に送る殺菌対象処理モードと、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを有するので、殺菌対象処理モードにおいて、殺菌対象を繰り返し加熱殺菌処理し、その後冷却することができるようになる。また、経路加熱殺菌モードにおいて、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行うため、経路内に残留した殺菌対象を効果的に加熱することができ、経路内を循環させながら、加熱殺菌処理することができるようになる。
【０１２６】
これにより、経路内に残留した殺菌対象を効果的に殺菌処理することができ、再び殺菌対象処理モードに移行した場合に、殺菌処理後の経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることができるようになる。そのため、殺菌対象処理モード終了後に、経路内の残留殺菌対象が放置され、菌の増殖が生じた場合であっても、経路加熱殺菌モードを実行した後に、経路内の残留殺菌対象を殺菌対象の利用側に送ることにより、該殺菌対象の利用側に菌が混入することを回避することができるようになる。
【０１２７】
請求項２の発明によれば、上記において、経路加熱殺菌モードの終了後、ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、冷却手段を経た殺菌対象を直接殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有するので、経路加熱殺菌モードにおいて加熱された経路内の殺菌対象を、クールダウンモードにおいて冷却手段により冷却し、直接殺菌処理手段に送る循環を行うことにより、経路内の温度を前記殺菌対象処理モードにおける温度に近づけることができる。
【０１２８】
これにより、当該クールダウンモードの終了後に、殺菌対象処理モードに移行した際に、殺菌対象の利用側に高温の殺菌対象が流入する不都合を未然に回避することができるようになる。
【０１２９】
請求項３の発明によれば、上記各発明において、経路加熱殺菌モードにおいて、殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたので、当該殺菌装置に給湯機能を備えることができるようになり、より一層利便性が向上する。
【０１３０】
請求項４の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段は、殺菌対象を貯留する貯留手段を含むので、該貯留手段により殺菌対象の加熱処理に要する時間を確保し、殺菌処理効果を向上させることができるようになる。
【０１３１】
請求項５の発明によれば、上記各発明に加えて、殺菌処理手段へ送られる殺菌対象と、殺菌処理手段を経た殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えるので、殺菌処理手段を経た殺菌対象から熱を回収し、殺菌対象の温度を上げた状態で殺菌処理手段に送ることができるようになる。これにより、ヒートポンプの運転効率を更に改善することができるようになる。
【０１３２】
請求項６の発明によれば、上記各発明に加えて、冷却手段に設けられ、冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えるので、冷却手段における流体からの吸熱を促進することができるようになる。これは、特に運転開始時に迅速に放熱部における殺菌作用を立ち上げることができるようになるものである。
【０１３３】
請求項７の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプは、放熱部の下流側に、送風機にれ冷却される補助放熱部を備えるので、当該補助放熱部を利用することにより、吸熱部の吸熱効率を向上させることができるようになる。これにより、当該ヒートポンプの放熱部と吸熱部の温度差を広げることができ、より急激な温度変化によるストレスを殺菌対象に与えることができるようになる。そのため、殺菌処理手段においてより一層高い殺菌作用を得ることができるようになる。
【０１３４】
また、ヒートポンプにおける余分な熱を補助放熱部にて廃棄することが可能となり、高めの温度で流入した殺菌対象を適切な温度に冷却して利用側に返送することができるようになる。これにより、当該殺菌対象の利用側の温度管理を厳密に行うことができるようになり、利便性が向上する。
【０１３５】
請求項８の発明によれば、上記各発明に加えて、ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮するようにしているので、高圧側における超臨界圧力を円滑に構成することができるようになる。また、第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えるので、第１の圧縮要素の吐出冷媒を中間熱交換器により放熱させ、熱量バランスを取ることができるようになる。また、第１の圧縮要素の吐出冷媒を放熱させることにより、第２の圧縮要素に吸い込まれる冷媒密度を高くすることができ、圧縮効率の改善を図ることができるようになる。
【０１３６】
請求項９の発明によれば、上記各発明において、ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ2を用いるので、オゾンを破壊せず、温暖化係数もフロン系冷媒の千分の一以下であるので、環境に適した殺菌装置、即ちノンフロン化を実現した装置を提供できる。また、ＣＯ2は他の冷媒に比して著しく入手しやすいことから利便性も向上する。
【０１３７】
請求項１０の発明によれば、栽培床に養液を供給して植物栽培を行う水耕栽培システムにおいて、栽培床から出た２次養液を栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に上記各発明の殺菌装置を介設し、養液を殺菌対象として殺菌処理を行うので、養液をオゾンや電解により殺菌することができない水耕栽培システムにおいて特に有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した一実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図２】 本発明を適用した他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図３】 本発明を適用したもう一つの他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図４】 本発明を適用した更にもう一つの他の実施例の殺菌装置の概略構成図である。
【図５】 本発明の殺菌装置を適用した水耕栽培システムを説明する図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１ 殺菌装置
２ 養液槽
２Ａ、２Ｂ 養液タンク
３ ポンプ
４、４３、４４ 流路
５ 加熱部
７ 貯留部
９ 冷却部
１０、２２、３３、４５ ヒートポンプ
１１ 圧縮機
１２ 放熱部
１３ 電動膨張弁（膨張部）
１４ 吸熱部
１５、２３、３４、４８ 冷媒配管
１６、１７、２７、２８、５０、５１ 温度センサ
２４ 第１の回転圧縮要素
２５ 中間熱交換器
２６ 第２の回転圧縮要素
２９、Ｆ 送風機
３２ 熱回収用熱交換器
３５ 内部熱交換器
４２ 三方弁
４６ 補助放熱部
４７ 電磁開閉弁
４９ 冷却用送風機
Claims (10)
- 高圧側が超臨界圧力となる冷凍サイクルから構成されたヒートポンプを備え、
該ヒートポンプの放熱部に接続され、前記ヒートポンプの放熱を利用して殺菌対象を殺菌処理する殺菌処理手段と、
該殺菌処理手段の下流側に配置されると共に、前記ヒートポンプの吸熱部に接続され、該ヒートポンプの吸熱を利用して前記殺菌対象を冷却する冷却手段とを有し、
前記殺菌対象の利用側から当該殺菌対象を前記殺菌処理手段に送り、当該殺菌処理手段から前記冷却手段に送ると共に、該冷却手段を経た前記殺菌対象を前記利用側に送る殺菌対象処理モードと、前記ヒートポンプの吸熱部による吸熱を停止させた状態で、前記冷却手段を経た前記殺菌対象を直接前記殺菌処理手段に送る循環を行わせる経路加熱殺菌モードとを実行することを特徴とする殺菌装置。 - 前記経路加熱殺菌モードの終了後、前記ヒートポンプの吸熱部による吸熱を再開して、前記冷却手段を経た前記殺菌対象を直接前記殺菌処理手段に送る循環を行わせるクールダウンモードを有することを特徴とする請求項１の殺菌装置。
- 前記経路加熱殺菌モードにおいて、前記殺菌対象に代えて外部から引き入れた水を前記殺菌処理手段に送り、該殺菌処理手段から前記冷却手段を経て外部に流出させる給湯運転を実行可能としたことを特徴とする請求項１又は請求項２の殺菌装置。
- 前記殺菌処理手段は、前記殺菌対象を貯留する貯留手段を含むことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３の殺菌装置。
- 前記殺菌処理手段へ送られる前記殺菌対象と、前記殺菌処理手段を経た前記殺菌対象とを熱交換させる熱交換手段を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４の殺菌装置。
- 前記冷却手段に設けられ、前記冷却手段に流体を流通させる流通手段を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５の殺菌装置。
- 前記ヒートポンプは、前記放熱部の下流側に、送風機にて冷却される補助放熱部を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の殺菌装置。
- 前記ヒートポンプの冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機は、第１及び第２の圧縮要素を備え、
前記第１の圧縮要素に吸い込んで圧縮された冷媒を、前記第２の圧縮要素に吸い込んで圧縮すると共に、前記第１の圧縮要素から吐出された冷媒を放熱させる中間熱交換器を備えることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７の殺菌装置。 - 前記ヒートポンプを構成する冷凍サイクルの冷媒としてＣＯ 2 を用いることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８の殺菌装置。
- 栽培床に養液を供給して植物栽培を行う水耕栽培システムにおいて、前記栽培床から出た２次養液を当該栽培床に再循環させる経路を設けると共に、この経路中に請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９の殺菌装置を介設し、養液を前記殺菌対象として殺菌処理を行うことを特徴とする水耕栽培システム。
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