JPH04237442A - 植物栽培装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、植物栽培装置に関し、
人工光源として高圧金属蒸気放電灯を用いた栽培効率が
高い完全制御型植物栽培装置を提供しようとするもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】完全制御型植物栽培装置（以下、栽培装
置という）とは、自然（太陽）光を遮断し、人工光だけ
を用いて、植物に最適な気温・ＣＯ２　濃度・風量・光
量・養液温度・養液組成等の環境条件を調節して、植物
の栽培を工場生産的におこなうものである。

【０００３】従来の栽培装置では、人工光源を用いた植
物の育成には高圧ナトリウムランプ、メタルハライドラ
ンプ等の高圧金属蒸気放電灯や蛍光灯が用いられている
。一般的に高圧金属蒸気放電灯は高ワットになる程発光
効率が良くなる為、通常は７００Ｗ〜１ＫＷの高ワット
ランプを用い、栽培パネル上面とランプとの距離を約１
．５〜２ｍとし反射傘を用いることにより栽培パネル面
の照度分布の均一性を高めている。また、蛍光灯を用い
た場合では、高圧金属蒸気放電灯を用いた場合と異なり
光源の単位表面積当りの光出力が大幅に少なく、かつ発
光効率が低い為、栽培パネル上方ほぼ全面に蛍光灯が取
り付けられている。栽培パネルと蛍光灯の距離は、蛍光
灯からの熱が光出力と同様分散されており、植物と近づ
けても熱の悪影響は受けにくい為、植物に近接させる方
法がとられている。よって栽培パネルと人工光源を多段
に設け、栽培空間の有効利用をはかる事が一般的に行な
われている。

【０００４】人工光源を用いた従来の植物栽培装置にお
いて人工光源は栽培空間と同一の空間にあり、植物の生
長に必要な例えば１５〜２０Ｋｌｘの照度とするために
栽培面１ｍ２　当たり約２００Ｗのランプ電力を要して
いる。人工光源から放出されるエネルギーの内、植物の
光合成に利用されるエネルギーはわずかでありそのほと
んどは最終的に熱に変わる。そこで人工光源からの熱を
低減させる方法が種々試みられている。

【０００５】図４に従来の人工光源の排熱方法の１例を
示す。反射笠２１内には人工光源として高圧金属蒸気放
電灯２が取り付けられており、下方に光を照射させるよ
うになっている。反射傘２１には空気の吹き出し口２２
及び排気口２３が設けられまた下方開口部には透明のガ
ラス板２３が気密的に取り付けられ、この送風孔２２か
ら空気を送り込むことによって人工光源の排熱を行って
いる。

【０００６】

【発明が解決しょうとする課題】人工光源を用いた従来
の植物栽培装置において、人工光源から栽培室内に放出
される熱量が多く栽培室内を植物の栽培に適した一定の
温度に調節するために大容量の空調機にて空調する必要
があり初期設備費と維持電力費の負担が大きいという問
題があった。また、高圧金属蒸気放電灯を用いた植物栽
培装置においては、エネルギー利用効率は高いものの植
物に対する光源からの熱による悪影響を防ぐため高圧金
属蒸気放電灯と栽培パネル面との間を比較的距離をとる
必要があり、このことから栽培空間が大きくなり植物栽
培効率が悪い、空調費、栽培装置の建築費等が高くつく
という欠点があった。

【０００７】また、図４に示すような従来の排熱方法で
は反射笠内の空間が比較的大きく、十分な排熱効果を得
ようとすると送風空気量を多くするための消費電力量が
大きい大容量の送風機を必要とした。また、反射笠前面
にガラス板を設けると反射傘内面で反射した光のうちガ
ラス板に対し入射角度が小さい光成分はガラス面で反射
し光が外部へ放射されず、よってガラス板を設けない場
合と比べて反射傘から放射される光の透過損失が１０〜
２０％ありその分人工光源の灯数を増すか、ランプ電力
を増す必要がありこれらのことから効果的な方法ではな
かった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、植物栽培装置
において、人工光源として高圧金属蒸気放電灯を用い、
この高圧金属蒸気放電灯の外球部に透明筒をほぼ同心円
状にかぶせ外球部と透明ガラス筒間内に空気を流すよう
にしたものであり、好ましくは高圧金属蒸気放電灯の外
球の外表積当りのランプ電力を１Ｗ／ｃｍ２　以上とし
、かつ空気の流量をランプ電力当り０．３Ｌ（リットル
）／ｍｉｎ・Ｗ以上とし、また排気空気の温度が送風空
気の温度より１５〜３０℃の範囲で上昇するようにした
ものである。

【０００９】

【作用】本発明にかかる植物栽培装置は、蛍光灯と比べ
ランプ消費電力当りのランプ外観形状が相当小さくする
ことが可能な高圧金属蒸気放電灯を用い、この高圧金属
蒸気放電灯の外球部に透明筒をほぼ同心円状にかぶせこ
の間に空気を流す方法により容易に光源からの熱を除去
できる。この高圧金属蒸気放電灯の外球の外表面積当り
のランプ電力を１Ｗ／ｃｍ２　以上とすることにより外
球の外表面温度を高くし、かつ空気の流量をランプ電力
当り０．３Ｌ／ｍｉｎ・Ｗ以上、あるいは排気空気の温
度を送風空気の温度より１５〜３０℃の範囲で高くなる
ようにすることにより、少ない送風量で効果的に排熱（
熱交換）することができる。

【００１０】さらに、高圧金属蒸気放電灯と透明筒がほ
ぼ同心円にあり、高圧金属蒸気放電灯から放射された光
は透明筒への入射角度が大きく透明筒表面で反射されに
くい、および透明筒を小さくかつ筒の厚みを薄くできる
ことから、透明筒による光の透過損失を少なくできる。 また、効果的に高圧金属蒸気放電灯からの熱が大幅に除
去できるため高圧金属蒸気放電灯，反射笠等の形状を小
型にすることが容易な他、高圧金属蒸気放電灯と栽培パ
ネル間の距離を短くすることができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。

【００１２】図１は本発明にかかる植物栽培装置を用い
た栽培室の概略断面図である。植物栽培装置１の天井部
には高圧ナトリウムランプからなる高圧金属蒸気放電灯
２がランプホルダー３を介して透明ガラス筒４内に取り
付けられている。

【００１３】透明ガラス筒４を境にして栽培室内は外気
と遮断されており、２０Ｗの送風機５により外気を透明
ガラス筒４と高圧金属蒸気放電灯２間に送風することに
より容易に排熱出来るようになっている。栽培室の天井
部に設けられた反射笠６、および栽培室内側面に張り付
けられた高光反射材により、高圧金属蒸気放電灯２から
の放射光を栽培パネル７に定植されたサラダ菜、レタス
等の野菜８に効率よく照射させている。高圧金属蒸気放
電灯２と栽培パネル７上面との距離は約１ｍと短く、ま
た栽培パネル７上面での平均照度は２２Ｋｌｘとなって
いる。

【００１４】植物を経済的に生長させるための光条件と
しては、人工光源の光成分の他に使用する人工光源の種
類が大きな要因となる。植物栽培空間の利用効率を高め
る為、天井面と栽培パネル７の上面との距離を短くする
と当然高圧金属蒸気放電灯２と栽培パネル７の上面との
距離も短くなる。この状態での光照射方法の一つとして
７０Ｗあるいは１００Ｗ程度の小型、低ワットランプを
多数用いランプからの熱、光を分散させる方法があるが
、この方法では人工光源として蛍光灯を用いる方法と同
様、設置灯数の増加による設備費の上昇と発光効率低下
による照明電力費が増え、栽培する植物の生産原価を高
める為、好ましい方法ではない。よって、極力発光効率
の高い高ワットの高圧金属蒸気放電灯を用いた方が好ま
しく、本実施例では６６０Ｗの高圧ナトリウムランプを
用いている。

【００１５】図２は図１の高圧金属蒸気放電灯２、透明
ガラス筒４等の概略拡大図である。高圧金属蒸気放電灯
２の外球９の外径は約５５ｍｍで外球９の外表面当りの
ランプ電力は約１．６Ｗ／ｃｍ２　と従来の一般照明用
に使用されている場合と比べて２倍以上で、また外球の
容積比は約１／４以下となっている。この外球表面積当
りのランプ電力値が大きいほど外球９の表面温度が高く
、外気との温度差が大きくなり排熱しやすくなる。また
、外球９が小さく出来ることから透明ガラス筒４のガラ
スの厚みを１．５ｍｍと薄く内径も約８５ｍｍと細くな
っている。この透明ガラス筒４は高圧金属蒸気放電灯２
とほぼ同心となるように取り付けられており、透明ガラ
ス筒４の厚みが薄いこともあり、高圧金属蒸気放電灯２
からの光の約９５％を透過する。外気はファン５により
吹き出し口１０から外球９と透明ガラス筒４の隙間に吹
き込まれ排気口１１から大気に放出される。給気、及び
排気部分にはホコリ、虫等が入り込まない様にフィルタ
−が設けられている。

【００１６】次に高圧金属蒸気放電灯２として６６０Ｗ
の高圧ナトリウムランプを用い、外球９の外径および透
明ガラス筒４の内径の組合せに対する外気の送風量と排
熱量との関係を表した実験結果を表１及び図３に示す。 なお、表１及び図３において同一番号は同一の条件の場
合の結果を示す。

【００１７】

【表１】 この結果からわかるように、外球９の外径が細いほど、
また外球９の外形が細くなる事によって透明ガラス筒４
の内径が細くなるほど少ない送風量で大きな排熱効果を
得ることが出来る。送風量が多くなるほど送風器に要す
る電力費が増え、空冷しない方法と比べ空冷の設備費が
増えまた装置が大きくなるのみで効果が少なくなる。よ
って、極力送風量は抑える必要があり、本発明による方
法，装置では強制的に外球９に外気を吹き付けることに
より従来の通常の設計を超える外球表面積当りのランプ
電力値にしても外球９のガラスの耐熱性に問題は生じな
い。しかし、外球９の外径をあまり細くすると外球の表
面積が少なくなるので空気との熱交換が悪くなり排熱効
果はあまり向上しない。少ない送風量で効率的な排熱効
果を得るためには送風量に対して排熱量がほぼ飽和傾向
を示す外球表面積当たりのランプ電力を１Ｗ／ｃｍ２　
以上の負荷にする事が好ましい。この負荷での排熱量の
略飽和値に対し少なくとも５０％以上の排熱効果がある
送風量０．３Ｌ／ｍｉｎ・Ｗ以上にしないと外球及びガ
ラス筒等を小型、コンパクトにしているため異常に外球
及びガラス管自身の温度が上昇し耐熱性に問題が生じ、
またガラス管の温度が上がり熱放射が増すことから植物
に対して悪影響がでる。また、これらのことは排気空気
の温度の上昇値にあらわれ、送風量０．３Ｌ／ｍｉｎ・
Ｗの時の送風空気に対する排気空気の温度上昇値は約３
０℃、排熱量が略飽和値の約９０％時の送風量１．２Ｌ
／ｍｉｎ・Ｗ時は約２０℃、排熱量が略飽和値の時の送
風量１．８Ｌ／ｍｉｎ・Ｗ時は約１５℃であった。排気
空気の温度上昇値が１５℃以下であると送風量が過剰で
ありむだである。よって、効率的な排熱方法における送
風空気に対する排気空気の温度上昇値は１５〜３０℃の
範囲とする必要がある。これらの測定は表１以外の組み
合わせ、および他の３６０Ｗ、９４０Ｗ等の大きさの異
なるランプ、あるいは両端開口の透明ガラス筒を用い一
端開口部から送風し他端開口部から排気する方法も実施
したがほぼ同様の結果であった。　　尚、本実施例では
透明筒としてガラスを用いたが例えば強制冷却している
為、耐熱的には透光性アクリル等も適用が可能である。 また、排熱効果を更に高める為、透明筒に赤外線反射、
吸収膜を設けるか透明筒自体の材質にランプからの赤外
線を反射・吸収する材料を付加してもよく、同様に植物
の生長を抑制する作用のある金属蒸気放電灯からの紫外
線を例えば酸化亜鉛等の膜を透明筒の表面に設け反射、
吸収させても良い。この透明筒によって赤外線及び紫外
線を反射、吸収させる方法は、透明筒の温度を低くでき
る為、反射、吸収材の耐熱性に対する材料選択の裕度が
増す他、反射，吸収性能の寿命特性等が優れたものとで
きる。

【００１８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明にかかる植
物栽培装置は、人工光源からの熱の多くを容易に、経済
的な方法で除去できるため、空調に要する初期設備費、
維持電力費を大幅に軽減できる。

【００１９】また、植物に対する高圧金属蒸気放電灯の
熱の影響が少なく植物との間を短くできる為、例えば多
段式栽培装置において１段当りの高さを低くでき一層植
物栽培の空間利用効率を高められ植物の栽培能力に対す
る、特に建屋に関する初期設備費、あるいは空調に要す
る電力費を更に低減できる等の利点を有している。その
ほか、人工光源として高ワットの高圧金属蒸気放電灯を
用いる事ができることから植物の生長に必要な照度を得
ることが容易な他、高効率・高出力特性および優れた寿
命特性を有していることから人工光源の設置灯数を少な
くできる。

【００２０】また、透明筒に赤外線及び紫外線を反射、
吸収させる機能を付加させることにより、高圧金属蒸気
放電灯として紫外線の多い高圧水銀灯、メタルハライド
ランプ、あるいは赤外線の多い高演色高圧ナトリウムラ
ンプ等を植物栽培用ランプとして使用することが容易と
なり、例えばメタルハライドランプにおいては紫外線を
低下させることによって光合成効率が数割向上できる。

【００２１】この様に本発明により、空調費、初期設備
費、及び照明費等運転費の軽減がはかれること等から人
工光源を使用した特に完全制御型植物栽培装置を広く普
及させる上でその効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる植物栽培装置を用いた栽培室の
概略断面図である。

【図２】第１図の高圧金属蒸気放電灯、水冷筒等の概略
拡大図である。

【図３】高圧金属蒸気放電灯２として６６０Ｗの高圧ナ
トリウムランプを用い、外球９の外径および透明ガラス
筒４の内径の組合せに対する外気の送風量と排熱量との
関係についての実験結果を示した図。

【図４】従来の人工光源として金属蒸気放電灯を用いた
排熱方法の１例である。

【符号の説明】

１　　　　植物栽培装置 ２　　　　高圧金属蒸気放電灯 ３　　　　ランプホルダ− ４　　　　透明ガラス筒 ５　　　　送風機 ６　　　　反射笠 ９　　　　外球

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　人工光源として高圧金属蒸気放電灯を
   用い、この高圧金属蒸気放電灯の外球部に透明筒をほぼ
   同心円状にかぶせ外球部と透明筒間内に空気を流すよう
   にしたことを特徴とする植物栽培装置。