JP6385636B2 - 植物栽培施設における細霧冷房方法及び細霧冷房システム - Google Patents

Description

本発明は、植物工場やビニールハウス等の植物栽培施設において、細霧冷房を行う方法及びシステムに関するものである。

例えば、太陽光型植物工場においては、夏季等における高温を原因とする根腐れや雑菌繁殖等を防ぐために、室内の昇温を防止して所定温度（例えば摂氏２５度）に維持することが行なわれる。このための方法として、天窓を開放して外気を導入したり、室内の空気を循環扇によって攪拌したり、寒冷紗を用いて遮光したり、地下水を利用する冷却装置やヒートポンプ等の空調装置によって冷却したり、あるいは細霧による蒸発冷却法を利用したりしている。

天窓を開放する場合は、外気と内気とを入れ換えることはできるが、導入する外気と室内の空気との間に温度差がないと、十分な昇温防止を行うことができない。また、循環扇による空気攪拌や寒冷紗による遮光だけで、昇温を有効に防止することは難しい。地下水を利用する場合は、地下水はそれほど低温ではないため、地下水を多量に汲み上げることが必要となり、このため汲み上げ規制の問題や大量汲み上げのための電力消費量の問題からあまり利用されていない。一方、ヒートポンプ等の空調装置は、前記と同様に電力消費量の問題から小規模施設等の特殊条件を除いて利用に不向きである。

そこで、蒸発冷却法が有利となり、潜熱（気化熱）による冷却効果を利用した細霧冷房が普及しつつある。
特許文献１においては、植物工場やビニールハウス等の冷房として、水をポンプによって細霧ノズルに送って細霧ノズルから室内に噴霧することにより、潜熱による冷却効果を利用して室内の温度を下げるということが開示されている。

また、特許文献２においては、植物育成装置のキャビネット本体に細霧供給口と炭酸ガス供給口とを設けて細霧と炭酸ガスとを同時に供給するということが記載されている（例えば、図面の図３や発明の詳細な説明の段落番号〔００４１〕）。このため、特許文献２においては、細霧による冷房に加えて、光合成を活発化させて生育を促すための炭酸ガス施用を同時に実行できる。

特開２０１０−５１１９０号公報 特開２００３−７９２５４号公報

特許文献１においては、サーモグラフィによって植物の葉の温度を検出して、細霧の吐出量を管理するようになっているが、細霧は供給水圧によって細霧ノズルから吐出されることにより形成される。このため、細霧は、水分量が多くなるいわゆる一流体細霧で、その細霧の粒径が通常２０μｍ以上になる。従って、細霧が水滴化して植物に付着し、植物に変色斑等が生じて植物の商品価値を下げたり、室内湿度が過度に上昇して、高温多湿によるカビ、病害等の原因になったりするおそれがあった。

また、特許文献２においては、冷房と炭酸ガス施用とを同時に行うことができる。しかし、超音波ミスト発生装置による細霧の供給と炭酸ガスボンベによる炭酸ガスの供給とが別系統で行われるため、構成が複雑になる問題があった。なお、特許文献２の発明の詳細な説明の段落番号〔００４１〕には、ミスト供給口を炭酸ガスの供給ラインに合流させる旨の記載があるが、これは、単に細霧と炭酸ガスの供給口を兼用するのみで、超音波ミスト発生装置や炭酸ガスボンベが省略されるものではない。

本発明の目的は、冷房機能と炭酸ガス施用機能とを簡単な構成で実現できるとともに、結露等の不都合を未然に防止できる植物栽培施設の細霧冷房方法及び細霧冷房システムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明にかかる植物栽培施設の細霧冷房方法は、細霧を噴出するノズルと、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを前記ノズルに供給するガス経路と、圧縮空気をノズルに供給する空気経路と、前記ガス経路と前記空気経路のうち何れか一方を前記ノズルに接続して前記炭酸ガスまたは前記圧縮空気を前記ノズルに供給し得るように切り替え得る切替手段と、水を前記ノズルに供給する水経路と、前記水経路を開閉する開閉手段とを有した噴霧装置と、植物栽培施設の室内における炭酸ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記室内の温度を検出する温度検出手段とを備えた細霧冷房システムを用いる細霧冷房方法であって、前記温度検出手段により前記室内の温度が温度所定値を越えたことを検出した場合、前記開閉手段が開放され、前記濃度検出手段により検出された炭酸ガス濃度に応じて、前記切替手段により、供給する流体を切り替えて、炭酸ガス流または空気流に乗せて二流体細霧を前記ノズルから前記室内に噴出し、前記温度検出手段により検出した前記室内の温度が温度所定値よりも低く、かつ前記炭酸ガスの濃度が濃度設定値より低い場合には、前記開閉手段が閉じられることにより、前記水経路からの水供給を停止させ、前記切替手段により、前記ノズルから炭酸ガスのみを供給することを特徴とする。

従って、植物栽培施設において冷房と炭酸ガス施用とを同時に行うことが可能になるばかりではなく、細霧供給装置を簡略化することができる。

また、本発明にかかる植物栽培施設の細霧冷房システムは、細霧を噴出するノズルと、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを前記ノズルに供給するガス経路と、圧縮空気をノズルに供給する空気経路と、前記ガス経路と前記空気経路のうち何れか一方を前記ノズルに接続して前記炭酸ガスまたは前記圧縮空気を前記ノズルに供給し得るように切り替え得る切替手段と、水を前記ノズルに供給する水経路と、前記水経路を開閉する開閉手段とを有した噴霧装置と、植物栽培施設の室内における炭酸ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記室内の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記温度検出手段により前記室内の温度が温度所定値を越えたことを検出した場合、前記開閉手段が開放され、前記切替手段は、前記濃度検出手段により検出された炭酸ガス濃度に応じて、供給する流体を切り替えて、炭酸ガス流または空気流に乗せて二流体細霧を前記ノズルから前記室内に噴出し、前記温度検出手段により検出した前記室内の温度が温度所定値よりも低く、かつ前記炭酸ガスの濃度が濃度設定値より低い場合には、前記開閉手段が閉じられることにより、前記水経路からの水供給を停止させ、前記切替手段により、前記ノズルから炭酸ガスのみを供給することを特徴とする。

従って、植物栽培施設において冷房と炭酸ガス施用とを同時に行うことができるばかりではなく、細霧供給装置を簡略化することができる。

前記圧縮空気は圧縮機から供給されるものであることが好ましい。

以上のように、本発明にかかる植物栽培施設の細霧冷房方法及び細霧冷房システムによれば、冷房機能と炭酸ガス施用機能とを簡単な構成で実現できるとともに、結露等の不都合を未然に防止できるという効果を発揮する。

第１，２実施形態にかかる植物栽培施設の細霧冷房システム図。 （ａ）は第１実施形態にかかる細霧冷房システムの噴霧回路図であり、（ｂ）は同じく電気回路図である。 （ａ）は第２実施形態にかかる細霧冷房システムの噴霧回路図であり、（ｂ）は同じく電気回路図である。

本発明を具体化した第１実施形態を図１及び図２に従って説明する。
図１に示すように、植物工場やビニールハウス等の植物栽培施設１において、同施設１の室内の下部には水耕栽培等の植物栽培棚２が設けられている。前記室内または室外には炭酸ガスを貯蔵した炭酸ガスボンベ３が設置されている。室内の上部には噴霧装置４が植物栽培棚２に面して配設され、その植物栽培棚２と噴霧装置４との間には、室内気温を検出するための温度センサ６（温度検出手段）が設けられている。噴霧装置４の下側には複数のノズル７が植物栽培棚２に沿って並設されている。

図２（ａ）に示すように、噴霧装置４は、炭酸ガスボンベ３から圧縮炭酸ガスを各ノズル７に供給するガス経路８と、水道水（以下、単に水という）Ｗを各ノズル７に供給する水経路９とを有している。ガス経路８において、炭酸ガスボンベ３は開閉弁１０（開閉手段）に接続され、開閉弁１０はガス圧力を調整するためのレギュレータ１１を介して各ノズル７に接続されている。水経路９において、開閉弁１２（開閉手段）は各ノズル７に水圧を調整するためのレギュレータ１３を介して各ノズル７に接続されている。そして、レギュレータ１１からの炭酸ガスとレギュレータ１３からの水がノズル７内において合流され、そのノズル７の先端開口から、二流体細霧Ｍが炭酸ガス流に乗って噴出される。

図２（ｂ）に示すように、電源１４にはスイッチングトランジスタ（以下、単にスイッチという）６１が電気接続され、そのベース端子に前記温度センサ６が電気接続されている。スイッチ６１とアースとの間には開閉弁１０の開閉ソレノイド（図示しない）と開閉弁１２の開閉ソレノイド（図示しない）との並列回路が電気接続されている。

次に、第１実施形態の植物栽培施設１の細霧冷房システムの作用について説明する。
夏期の高温時のように、施設１の室内の気温が高くなった場合（例えば、摂氏３０度以上）には、温度センサ６がそれを検出し、スイッチ６１を介して開閉弁１０，１２の開閉ソレノイドを動作させて、開閉弁１０，１２を開放させる。このため、開閉弁１０，１２及びレギュレータ１１，１３を介して所定圧力の水Ｗ及び圧縮炭酸ガスがノズル７に供給されて、同ノズル７内において合流される。従って、ノズル７から炭酸ガス流に乗って二流体細霧Ｍが室内に噴出される。そして、その二流体細霧Ｍが気化されて、室内が冷却される。この二流体細霧Ｍは、その粒径が１０μｍ以下であるため、細霧全体の水量はごくわずかであって、水滴化したり、室内湿度が高騰したりすることは抑制される。

また、室内が高温になるときは、昼間の日照下であって、植物は日光を浴びて光合成が盛んになるときでもある。このときに、炭酸ガスがノズル７から噴出されるため、室内の炭酸ガス濃度が増えて光合成による植物の生育を助長することができる。そして、光合成の結果、植物から酸素が放出されるが、ノズル７から炭酸ガスが室内に供給されるため、炭酸ガスが不足することを防止できる。

室内温度が低下した場合には、温度センサ６からの検出によってスイッチ６１を介して開閉弁１０，１２が閉じて、細霧Ｍの噴出が停止される。
なお、日照時間が長い夏期や、高気温地域においては、噴霧時間が長くなって、室内の炭酸ガス濃度が必要以上に高くなることも考えられる。このような場合は、炭酸ガスボンベ３に炭酸ガスとともに、空気を貯留して、つまり炭酸ガスボンベ３に炭酸ガスと空気との混合ガスを貯留して、その混合ガスに乗せて細霧Ｍを噴出させればよい。従って、噴出される炭酸ガスが希薄化されて、室内の炭酸ガス濃度が過剰になることを防止できる。従って、日照時間等の条件に応じて混合ガス中の炭酸ガス濃度を調整すれば、室内の炭酸ガス濃度を適切に維持できるとともに、炭酸ガスの浪費を防止できる。

そして、この第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１） 植物栽培施設１の室内の気温が高いときには、炭酸ガスの圧力を利用してその炭酸ガス流に乗せて二流体細霧Ｍをノズル７から噴出できる。従って、施設１の室内を冷却できるとともに、植物に対して炭酸ガス施用を行なうことができる。このため、施設１の室内温度を植物生育に適する温度に維持できるとともに、炭酸ガスにより、植物の光合成による生育を助長でき、効率的な植物栽培が可能になる。

（２） 噴霧は微細な二流体細霧Ｍであるため、施設１の室内の湿度が過度に高くなったり、植物や室内壁に水滴が付着したりすることを防止できる。従って、植物の生育にカビや病害等の悪影響が出たり、植物にその商品価値を下げる斑や変色が生じたりすることを防止できる。

（３） 細霧Ｍは、炭酸ガスの圧力を利用して噴出されるものであるため、細霧Ｍを生じさせるための圧縮機や、超音波発生装置等は不要であって、細霧Ｍの発生のための装置の構成を簡素化できるとともに、ランニングコストを低くすることができる。

次に、本発明を具体化した第２実施形態を図１及び図３に従って前記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。
この第２実施形態においては、図３（ａ）に示すように、ガス経路８の前記第１実施形態の開閉弁１０に代えて三方弁１７（開閉手段、切替手段）が接続されている。そして、三方弁１７の一方の一次側に炭酸ガスボンベ３が、他方の一次側に圧縮機１６が接続され、三方弁１７の二次側にレギュレータ１１を介してノズル７が接続されている。

また、この第２実施形態においては、図１に示すように、植物栽培施設１の室内の噴霧装置４と植物栽培棚２との間において炭酸ガス濃度を検出するための濃度センサ５（濃度検出手段）が設けられている。

図３（ｂ）に示すように、電源１４とアースとの間にはスイッチ６１が電気接続され、そのベース端子に温度センサ６が電気接続されている。スイッチ６１とアースとの間には、開閉弁１２の開閉ソレノイドと、三方弁１７の切替ソレノイド（図示しない）との並列回路が電気接続されている。温度センサ６のスイッチ６１とアースとの間には、スイッチ５１が電気接続され、そのベース端子には濃度センサ５が電気接続されている。スイッチ５１とアースとの間には、三方弁１７の切替ソレノイドと、圧縮機１６のモータとの並列回路が電気接続されている。

次に、第２実施形態の植物栽培施設１の細霧冷房システムの作用について説明する。
植物栽培施設１の室内の温度が所定値を越えるとともに、室内の炭酸ガス濃度が所定値（例えば、１０００ｐｐｍ）以下の場合には、温度センサ６の検出に基づいてスイッチ６１を介して開閉弁１２が開放されるとともに、三方弁１７が第１開放位置に切り替えられる。このため、炭酸ガスボンベ３から圧縮炭酸ガスが三方弁１７とレギュレータ１１とを経て各ノズル７に供給されるとともに、水Ｗが開閉弁１２とレギュレータ１３とを経て各ノズル７に供給される。従って、炭酸ガスと水とがノズル７内で合流されて、平均粒径１０μｍの二流体細霧Ｍが炭酸ガス流とともに各ノズル７から植物栽培施設１の室内に噴出される。このため、その細霧Ｍにより、気化熱による冷却効果を利用して室内の温度を下げることができるとともに、室内の炭酸ガスが増えて植物の光合成による生育を助長することができる。

一方、室内の温度が所定値以上であって、炭酸ガス濃度が設定値（例えば１０００ｐｐｍ）以上の場合には、開閉弁１２の開放状態において、スイッチ５１を介して三方弁１７が第２開放位置に切り替えられて、三方弁１７と炭酸ガスボンベ３との間の経路が遮断されるとともに、圧縮機１６のモータに通電される。

このため、圧縮機１６から圧縮空気Ｅが三方弁１７とレギュレータ１１とを経て各ノズル７に供給される。従って、各ノズル７から空気流に乗って平均粒径１０μｍの二流体細霧Ｍが噴出される。このように、室内の炭酸ガスの増加を抑制しつつ、室内の温度を下げることができる。このため、室内の炭酸ガス濃度を所定値（例えば１０００ｐｐｍ）レベルに維持することが可能になる。

このようにして細霧Ｍの供給により室内の温度が下がると、その温度を温度センサ６が検出して、開閉弁１２が閉じるとともに、三方弁１７が遮断位置に切り替えられ、さらに圧縮機１６が停止される。従って、各ノズル７への炭酸ガスまたは空気Ｅ及び水Ｗの供給が停止されて各ノズル７からの細霧Ｍの噴出が停止される。

従って、この第２実施形態によれば、前記第１実施形態の効果に加えて以下のような効果を得ることができる。
（４） 圧縮炭酸ガスをノズル７に供給するガス経路８以外に、圧縮機１６により圧縮空気Ｅをノズル７に供給する空気経路１５を設け、このガス経路８と空気経路１５とのうち何れか一方をノズル７に接続して圧縮炭酸ガスまたは圧縮空気Ｅをノズル７に供給し得るように切り替え得る三方弁１７を設けている。そして、室内の炭酸ガス濃度に応じて三方弁１７を切り替えることにより、圧縮炭酸ガス流に乗せた二流体細霧Ｍの外に、圧縮空気流に乗せた二流体細霧Ｍも噴出し得る。従って、植物栽培施設１における炭酸ガス濃度を適切に調節することができる。

（変更例）
前記第１，第２実施形態は以下のように変更してもよい。
・ 前記第１，第２実施形態の炭酸ガスボンベ３に代えて、圧縮機により圧縮された炭酸ガスをノズル７に供給するようにしてもよい。

・ 前記第１実施形態において、炭酸ガス濃度検出用の濃度センサを設けて、室温が低く、かつ炭酸ガス濃度が低い場合には、開閉弁１０が開放されて、炭酸ガスのみが供給されるように構成してもよい。

・ 前記第２実施形態において、室温が低く、かつ炭酸ガス濃度が低い場合に、三方弁１７のみが切り換えられて炭酸ガスのみが供給されるように構成してもよい。
・ 第１，第２実施形態において、室内の湿度が高くなった場合に、施設１の内気を外気と入れ換える構成を採用してもよい。

１…植物栽培施設、３…炭酸ガスボンベ、４…噴霧装置、５…濃度センサ、６…温度センサ、７…ノズル、８…ガス経路、９…水経路、１０…開閉弁（開閉手段）、１２…開閉弁（開閉手段）、１５…空気経路、１６…圧縮機、１７…三方弁（開閉手段、切替手段）、Ｍ…細霧、Ｅ…空気、Ｗ…水。

Claims (3)

1. 細霧を噴出するノズルと、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを前記ノズルに供給するガス経路と、圧縮空気をノズルに供給する空気経路と、前記ガス経路と前記空気経路のうち何れか一方を前記ノズルに接続して前記炭酸ガスまたは前記圧縮空気を前記ノズルに供給し得るように切り替え得る切替手段と、水を前記ノズルに供給する水経路と、前記水経路を開閉する開閉手段とを有した噴霧装置と、植物栽培施設の室内における炭酸ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記室内の温度を検出する温度検出手段とを備えた細霧冷房システムを用いる細霧冷房方法であって、
   前記温度検出手段により前記室内の温度が温度所定値を越えたことを検出した場合、前記開閉手段が開放され、前記濃度検出手段により検出された炭酸ガス濃度に応じて、前記切替手段により、供給する流体を切り替えて、炭酸ガス流または空気流に乗せて二流体細霧を前記ノズルから前記室内に噴出し、
   前記温度検出手段により検出した前記室内の温度が温度所定値よりも低く、かつ前記炭酸ガスの濃度が濃度設定値より低い場合には、前記開閉手段が閉じられることにより、前記水経路からの水供給を停止させ、前記切替手段により、前記ノズルから炭酸ガスのみを供給することを特徴とする植物栽培施設における細霧冷房方法。
2. 細霧を噴出するノズルと、炭酸ガスボンベから炭酸ガスを前記ノズルに供給するガス経路と、圧縮空気をノズルに供給する空気経路と、前記ガス経路と前記空気経路のうち何れか一方を前記ノズルに接続して前記炭酸ガスまたは前記圧縮空気を前記ノズルに供給し得るように切り替え得る切替手段と、水を前記ノズルに供給する水経路と、前記水経路を開閉する開閉手段とを有した噴霧装置と、植物栽培施設の室内における炭酸ガスの濃度を検出する濃度検出手段と、前記室内の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   前記温度検出手段により前記室内の温度が温度所定値を越えたことを検出した場合、前記開閉手段が開放され、前記切替手段は、前記濃度検出手段により検出された炭酸ガス濃度に応じて、供給する流体を切り替えて、炭酸ガス流または空気流に乗せて二流体細霧を前記ノズルから前記室内に噴出し、
   前記温度検出手段により検出した前記室内の温度が温度所定値よりも低く、かつ前記炭酸ガスの濃度が濃度設定値より低い場合には、前記開閉手段が閉じられることにより、前
   記水経路からの水供給を停止させ、前記切替手段により、前記ノズルから炭酸ガスのみを供給することを特徴とする植物栽培施設における細霧冷房システム。
3. 前記圧縮空気は圧縮機から供給されるものであることを特徴とする請求項２に記載の植物栽培施設における細霧冷房システム。