JP6220217B2 - 植物体栽培装置 - Google Patents

Description

本発明は、室内において植物に人工光源を照射して栽培する植物体栽培装置に関する。

近年、安全及び安心な食物への関心の高まりに伴い、農薬を使用せずに農作物等の植物の栽培を室内で行う植物工場が注目されてきている。植物工場では、人工光源を用いて植物に光を照射するとともに肥料を必要に応じて投与し、栽培室内の温度及び湿度等を制御して植物の生育に最適な環境を人工的に実現することで、害虫の影響を受けず天候にも左右されることなく安定した品質の植物を生育することができるようになる。

こうした植物体栽培装置としては、例えば、特許文献１では、栽培ユニットに培養液供給路及び培養液回収路を介して培養液槽を接続してポンプにより培養液を供給し、培養液槽に補水器を配備してポンプにより水を補給するようにした植物水耕栽培装置が記載されている。また、特許文献２では、キャビネット内を加温又は冷却する温度生成手段としてペルチェ素子を用いた植物育成装置が記載されている。

特開２００７−３０６８９５号公報 特開２００３−０７９２５４号公報

上述した特許文献１では、植物の生育環境の温度が高い時には、エアポンプにより栽培ユニット内に空気を送り込み、温度調整を行う点が記載されているが、特許文献２に記載されているようなＬＥＤを照明装置として用いた場合、ＬＥＤから発生する熱により装置内の温度が上昇するため、装置内を冷却する手段を備える必要がある。特許文献２においても、冷却手段としてペルチェ素子を用いているが、キャビネットの側壁に取り付けられているため、発熱源であるＬＥＤを十分冷却することができない。また、キャビネット内で水耕栽培を行う場合に、培養液に対して側壁を介して冷却を行うため、培養液を均一に冷却することが難しく、植物体の育成に影響が生じることは避けられない。水耕栽培では、培養液の温度が上昇すると、植物体の根が弱り、培養液中の酸素が減少して植物体が十分生育することができなくなるおそれがある。

そこで、本発明は、発熱源及び培養液を効率よく冷却することができる植物体栽培装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る植物体栽培装置は、筺体と、前記筺体の上部に取り付けられた照明部と、培養液を貯留する培養液槽と、前記筺体の内部に設けられるとともに植物体が植栽される栽培槽と、前記培養液槽から前記栽培槽に培養液を供給する供給手段と、前記栽培槽から前記培養液槽に培養液を排出する排出手段と、前記供給手段の管路を流通する培養液及び前記照明部を冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられたペルチェ素子と、前記照明部に取り付けられるとともに前記ヒートシンクに接続された照明用ヒートパイプと、前記管路内に設けられるとともに前記ヒートシンクに接続された液用ヒートパイプとを備えている。さらに、前記培養液槽は、前記筺体の下部に取り付けられており、前記栽培槽は、前記培養液槽の上面に配置されている。さらに、前記照明部は、前記植物体を照射する複数のＬＥＤを備えている。

本発明は、上記のような構成を備えることで、発熱源となる照明部及び栽培槽内の培養液を効率よく冷却して、培養液の温度及び筺体内の気温を安定した状態に維持することができる。

本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。 冷却装置に関する概略構成図である。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて詳しく説明する。図１は、本発明に係る実施形態に関する概略構成図である。植物栽培装置は、筺体１の上部にプレート状の照明装置２が取り付けられており、筺体１の下部には、培養液を貯留する培養液槽３が取り付けられている。そして、筺体１の内部には、培養液槽３の上面に栽培槽４が配置されており、栽培槽４の上面には、食用又は観賞用の植物体Ｐを支持する支持プレート５が取り付けられている。植物体Ｐは、支持プレート５に穿設された開口部に取り付けられたスポンジ等の培地で植栽されており、根の部分が栽培槽４内に伸びて培養液から栄養分を吸収することで生育するようになっている。

照明装置２は、筺体１に着脱可能に組み付けられており、培養液槽３についても筺体１と着脱可能に組み付けられている。したがって、設置スペースや生産量に応じて装置構成を適宜変更することができる。例えば、複数の栽培槽４を積み重ねるように配置して、それぞれに照明装置２を設け、培養液槽３を別体にして複数の栽培槽４にそれぞれ培養液を供給するように構成することもできる。

筺体１には、必要に応じて炭酸ガス供給装置及び加湿装置を接続して、植物体の種類や成長の程度に応じて内部の空気の炭酸ガス濃度及び湿度を調整するように構成することができる。

照明部である照明装置２の下面には、複数のＬＥＤ２０が配列されており、下方の植物体Ｐに向かって所定の光量で照射するようになっている。ＬＥＤ２０としては、光量調整が可能で複数色（例えば、２５６色）の光を照射可能なものを用いるとよい。植物体Ｐの種類によりＬＥＤ２０の照射する光の波長や光量を調整することで、最適な照射条件を設定することができる。

栽培槽４の上面は開口しており、支持プレート５により蓋をされている。そして、支持プレート５の端部には、供給口５ａが開口しており、供給口５ａから培養液を供給することで、栽培槽４の一方の端部に培養液が供給されるようになっている。栽培槽４の他方の端部には、排液管４０が底部を貫通して立設されており、排液管４０の上端の開口から培養液が下方の培養液槽３に排出されるようになっている。栽培槽４内の培養液は、一方の端部から供給されて他方の端部で排出されるため、常時一方の端部から他方の端部に培養液が流れるようになる。この例では、排出手段として排液管４０を用いているが、それ以外の排出手段を用いることもできる。例えば、栽培槽４と培養液槽３とを接続する管路に排出用ポンプを取り付けて、排出用ポンプにより栽培槽４から培養液槽３に培養液を排出することもできる。

培養液槽３には、他方の端部に排液管４０が挿入されて、栽培槽４から排出された培養液が流入するようになっている。また、一方の端部には、上面に供給用ポンプ６が取り付けられており、供給用ポンプ６には吸液管６０が下方に接続されている。供給用ポンプ６を駆動することで、培養液槽３内の培養液が吸液管６０を通して吸引されるようになっている。このように、供給用ポンプ６を培養液槽３に外付けすることで、供給用ポンプ６から発生する熱が培養液に伝導することが抑えられて培養液の温度上昇を抑制することができる。

供給用ポンプ６には、連結管６１が上方に接続されており、連結管６１は、栽培槽４の上方に延設されて冷却管６２に接続されている。冷却管６２は上下方向に配設されており、下端には供給口５ａに対向配置された空気混合器６３が取り付けられている。供給用ポンプ６を駆動することで、吸液管６０を介して吸引された培養液は、連結管６１及び冷却管６２を通り、空気混合器６３を通過して供給口５ａから栽培槽４内に供給される。培養液は、空気混合器６３を通過する際に空気がマイクロバブル状となって混合して供給されるようになっている。この例では、供給手段として、供給用ポンプ６及び培養液槽３と栽培槽４とを接続する管路（吸液管６０、連結管６１及び冷却管６２）が設けられているが、こうした構成以外の供給手段を用いてもよく、特に限定されない。

以上のように構成されているため、ポンプ６を駆動することで、培養液は、培養液槽３及び栽培槽４内を循環するようになり、栽培槽４内に滞留することなく循環して常時安定した濃度の培養液を供給することができる。培養液槽３には、図示せぬ補給装置を接続しており、培養液の濃度を測定する検知センサ（図示せず）からの検知信号に基づいて補強装置から培養液を補給して培養液の濃度を所定範囲に維持するようになっている。

照明装置２は、複数のＬＥＤ２０を実装した基板２１を支持枠体２２に取り付けて構成されており、支持枠体２２の内部には、冷却手段として冷却装置７が設けられている。冷却装置７は、ペルチェ素子７０及びペルチェ素子７０に接続されたヒートシンク７１を備えており、ヒートシンク７１には、支持枠体２２内に配設された照明用ヒートパイプ７２が接続されている。照明用ヒートパイプ７２は、支持枠体２２内を一方の端部から他方の端部までの間を周回するように設けられており、基板２１に接触した状態で取り付けられている。ヒートパイプを用いた冷却技術は、ヒートパイプを発熱部品に取り付け、そのヒートパイプを経路として発熱部品の熱を放熱用のヒートシンクまで輸送して放散させるもので、発熱源であるＬＥＤ２０から基板２１を介して伝導される熱をヒートシンク７１に輸送して放散させるようになっている。

ヒートパイプは、内部が密封された空洞に形成されており、その空洞内に水、代替フロン等の作動流体が所定量収容されている。空洞内は真空状態とされて、作動流体の蒸発が生じやすくなっており、発熱源において空洞内の作動流体が蒸発し、その蒸気が移動することで熱輸送が行われる。

照明用ヒートパイプ７２により回収された熱は、ヒートシンク７１に輸送されてペルチェ素子７０により冷却されるようになっている。そのため、照明装置２から筺体１内に放散される熱量が抑えられるようになり、筺体１内のＬＥＤ２０の放熱による気温の上昇を抑えて、筺体１内の気温を安定した状態に保持することができる。

図２は、冷却装置７に関する概略構成図である。ペルチェ素子７０はヒートシンク７１に取り付けられており、ヒートシンク７１内には、照明用ヒートパイプ７２の一部が内蔵されて接続されている。また、冷却管６２の内部には、複数本の液用ヒートパイプ７３が束ねられて内蔵されており、液用ヒートパイプ７３は、その下端部が冷却管６２内を通過する培養液に接触するように配設されている。また、液用ヒートパイプ７３は、その上端部がヒートシンク７１内に内蔵されるように接続されており、液用ヒートパイプ７３の下端部において接触する培養液から回収された熱が液用ヒートパイプ７３によりヒートシンク７１に輸送されてペルチェ素子により冷却されるようになっている。

したがって、供給用ポンプ６から連結管６１に流通する培養液は、冷却管６２内を通過する際に液用ヒートパイプ７３により熱が回収されて冷却されるようになる。冷却管６２内には、複数本の液用ヒートパイプ７３が内蔵されているため、冷却管６２内の狭い空間を流れる培養液が液用ヒートパイプ７３に直接接触して効率よく冷却することができる。そして、冷却された培養液は、空気混合器６３を通り、栽培槽４内に供給される。そのため、栽培槽４内を流通する培養液は、冷却された培養液により次第に冷却されていき、培養液の温度の上昇が抑制されるようになる。ポンプ６の下流側で空気混合器６３の直前の位置で培養液を冷却するようにしているので、冷却された培養液がそのまま栽培槽４に供給されて冷却効果を高めることができる。また、管路を流通する培養液を冷却するようにしているので、培養液の流通速度及び液用ヒートパイプ７２の冷却作用を調整して培養液の温度を速やかに最適化することができる。

栽培槽４内の容積は、培養液槽３内の容積よりも小さくなっており、培養液の温度が上昇した場合でも、冷却された培養液により速やかに温度が低下するように設定されている。培養液槽３は、栽培槽４の下方に設置されているため、発熱源である照明装置の熱の影響を受けにくく培養液の温度があまり上昇することがない。そのため、培養液槽３から送給された培養液を冷却管６２内の液用ヒートパイプ７３による冷却作用により十分冷却することができる。そして、栽培槽４から冷却された培養液が排出されることで、培養液槽３内の培養液の温度が低下するようになり、栽培槽４と培養液槽３との間の培養液の循環により培養液の温度を安定した状態に保持することができる。また、栽培槽４を培養液槽３の上面に配置されているため、培養液の排出及び供給の際の管路が短くなり、管路において培養液の温度が上昇することが抑止される。

また、供給用ポンプ６の駆動停止により培養液の循環が停止した状態では、栽培槽４内の培養液の温度がＬＥＤ２０の照射により上昇するが、培養液槽３内の培養液の温度の上昇は抑えられている。そのため、供給用ポンプ６を動作開始することで、冷却された培養液が栽培槽４内に速やかに供給されて栽培槽４内の培養液の温度を低下させて短時間で所定の温度範囲に戻すことが可能となり、植物体に対する培養液の温度上昇による影響を最小限に抑えることができる。

以上説明したように、１つの冷却装置で、発熱源となる照明装置及び栽培槽内の培養液を効率よく冷却して、培養液の温度及び筺体内の気温を安定した状態に維持することができる。そのため、植物体への熱の影響を抑制して、植物体の生育を高めることが可能となる。

本発明に係る植物体栽培装置は、サラダ菜、わさび、レタス、もやし、かいわれだいこん、いちご、ハーブ類等の食用植物、菊、パンジー等の観賞用植物を栽培するのに好適である。

１・・・筺体、２・・・照明装置、３・・・培養液槽、４・・・栽培槽、５・・・支持プレート、６・・・供給用ポンプ、７・・・冷却装置、４０・・・排液管、６０・・・吸液管、６１・・・連結管、６２・・・冷却管、６３・・・空気混合器

Claims (3)

1. 筺体と、前記筺体の上部に取り付けられた照明部と、培養液を貯留する培養液槽と、前記筺体の内部に設けられるとともに植物体が植栽される栽培槽と、前記培養液槽から前記栽培槽に培養液を供給する供給手段と、前記栽培槽から前記培養液槽に培養液を排出する排出手段と、前記供給手段の管路を流通する培養液及び前記照明部を冷却する冷却手段とを備え、前記冷却手段は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられたペルチェ素子と、前記照明部に取り付けられるとともに前記ヒートシンクに接続された照明用ヒートパイプと、前記管路内に設けられるとともに前記ヒートシンクに接続された液用ヒートパイプとを備えている植物体栽培装置。
2. 前記培養液槽は、前記筺体の下部に取り付けられており、前記栽培槽は、前記培養液槽の上面に配置されている請求項１に記載の植物体栽培装置。
3. 前記照明部は、前記植物体を照射する複数のＬＥＤを備えている請求項１又は２に記載の植物体栽培装置。

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