(57)【要約】【課題】必要最少数のＬＥＤパッケージを使用した上で、栽培領域全体に発せられる光量子束密度を均一化しうる植物栽培装置を提供する。【解決手段】植物栽培装置は、６つの仮想壁11〜16で囲まれた直方体状の栽培ユニット10を備えている。各栽培ユニット10の下仮想壁12に植物が配置される栽培領域17を設け、下仮想壁12の上方に間隔をおいてＬＥＤ照明装置を配置する。栽培ユニット10における６つの仮想壁11〜16のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁の栽培ユニット10内側を向いた部分に、片面が反射面となっている板状の反射部材を、反射面が栽培ユニット10内側を向くように配置する。反射部材の栽培ユニット10内側を向いた反射面に、栽培ユニット10外側に凹みかつ開口が栽培ユニット10内側を向いた複数の凹面を形成する。凹面は、部分円筒面および部分球面のうち少なくともいずれか一方からなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６つの仮想壁で囲まれた直方体状の栽培ユニットを備え、各栽培ユニットの下仮想壁に植物が配置される栽培領域が設けられるとともに、下仮想壁の上方に間隔をおいてＬＥＤ照明装置が配置されている植物栽培装置であって、
栽培ユニットにおける６つの仮想壁のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁の栽培ユニット内側を向いた部分に、栽培ユニット内側を向く反射面を有する板状の反射部材が配置されており、互いに平行な２つの仮想壁に配置された２つの反射部材のうち少なくともいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に、栽培ユニット外側に凹みかつ開口が栽培ユニット内側を向いた複数の凹面が形成され、当該凹面が、部分円筒面および部分球面のうちの少なくともいずれか一方からなる植物栽培装置。
【請求項２】
栽培ユニットの６つの仮想壁のうち上下両仮想壁に配置された２つの反射部材のうちいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に凹面が形成され、同他方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面が平坦面となっている請求項１記載の植物栽培装置。
【請求項３】
反射面に凹面が形成された反射部材を、当該反射部材が配置された仮想壁と平行な投影面に投影した投影図において、全凹面の合計面積が、前記投影図の全体の面積の１０％以上である請求項１または２記載の植物栽培装置。
【請求項４】
前記部分円筒面の曲率半径が５ｍｍ以上であり、同じく深さが前記曲率半径よりも小さくなっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【請求項５】
すべての凹面が部分円筒面からなる請求項４記載の植物栽培装置。
【請求項６】
栽培ユニットの６つの仮想壁のうち上下両仮想壁を除いた４つの仮想壁に配置される反射部材において、部分円筒面の長手方向が上下方向を向いている請求項１〜５のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【請求項７】
前記部分球面の開口の直径が５〜２０ｍｍであり、同じく深さが前記直径よりも小さくなっている請求項１〜３のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【請求項８】
すべての凹面が部分球面からなる請求項７記載の植物栽培装置。
【請求項９】
植物が、栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域において、下仮想壁の下側に根が広がるとともに、同上側に葉が存在するように配置される請求項１〜８のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【請求項１０】
植物の土耕栽培に適用される請求項１〜９のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【請求項１１】
植物の水耕栽培に適用される請求項１〜９のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ＬＥＤチップが実装された複数のＬＥＤパッケージを備えたＬＥＤ照明装置を光源として使用し、かつたとえば植物工場、野菜工場、育苗装置などで用いられる植物栽培装置に関する。
【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、図１の上下、左右を上下、左右というものとする。また、上下方向および左右方向と直交する方向を前後方向というものとする。
【０００３】
また、この明細書において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【背景技術】
【０００４】
ＬＥＤ照明装置を用いた植物栽培装置として、６つの仮想壁で囲まれた直方体状の栽培ユニットを備え、各栽培ユニットの下仮想壁に植物が配置される栽培領域が設けられるとともに、下仮想壁の上方に間隔をおいてＬＥＤ照明装置が配置されているものが知られている（特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、植物栽培装置においては、設備コストおよび消費電力コストを低減すること目的として、各栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域に配置される全植物の生育に必要な光量子束密度を確保するために必要最少数のＬＥＤパッケージを使用した上で、栽培領域全体に発せられる光量子束密度を効果的に均一化することが求められるが、特許文献１記載の植物栽培装置においては、栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域全体に発せられる光量子束密度の均一化が不十分であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２０７９３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、上記問題を解決し、各栽培ユニット下仮想壁の栽培領域に配置される全植物の生育に必要な光量子束密度を確保するために必要最少数のＬＥＤパッケージを使用した上で、栽培領域全体に発せられる光量子束密度を均一化しうる植物栽培装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【０００９】
1)６つの仮想壁で囲まれた直方体状の栽培ユニットを備え、各栽培ユニットの下仮想壁に植物が配置される栽培領域が設けられるとともに、下仮想壁の上方に間隔をおいてＬＥＤ照明装置が配置されている植物栽培装置であって、
栽培ユニットにおける６つの仮想壁のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁の栽培ユニット内側を向いた部分に、栽培ユニット内側を向く反射面を有する板状の反射部材が配置されており、互いに平行な２つの仮想壁に配置された２つの反射部材のうち少なくともいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に、栽培ユニット外側に凹みかつ開口が栽培ユニット内側を向いた複数の凹面が形成され、当該凹面が、部分円筒面および部分球面のうちの少なくともいずれか一方からなる植物栽培装置。
【００１０】
2)栽培ユニットの６つの仮想壁のうち上下両仮想壁に配置された２つの反射部材のうちいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に凹面が形成され、同他方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面が平坦面となっている上記1)記載の植物栽培装置。
【００１１】
3)反射面に凹面が形成された反射部材を、当該反射部材が配置された仮想壁と平行な投影面に投影した投影図において、全凹面の合計面積が、前記投影図の全体の面積の１０％以上である上記1)または2)記載の植物栽培装置。
【００１２】
4)前記部分円筒面の曲率半径が５ｍｍ以上であり、同じく深さが前記曲率半径よりも小さくなっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【００１３】
5)すべての凹面が部分円筒面からなる上記4)記載の植物栽培装置。
【００１４】
6)栽培ユニットの６つの仮想壁のうち上下両仮想壁を除いた４つの仮想壁に配置される反射部材において、部分円筒面の長手方向が上下方向を向いている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【００１５】
7)前記部分球面の開口の直径が５〜２０ｍｍであり、同じく深さが前記直径よりも小さくなっている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【００１６】
8)すべての凹面が部分球面からなる上記7)記載の植物栽培装置。
【００１７】
9)植物が、栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域において、下仮想壁の下側に根が広がるとともに、同上側に葉が存在するように配置される上記1)〜8)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【００１８】
10)植物の土耕栽培に適用される上記1)〜9)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【００１９】
11)植物の水耕栽培に適用される上記1)〜9)のうちのいずれかに記載の植物栽培装置。
【発明の効果】
【００２０】
上記1)〜11)の植物栽培装置によれば、栽培ユニットにおける６つの仮想壁のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁の栽培ユニット内側を向いた部分に、栽培ユニット内側を向く反射面を有する板状の反射部材が配置されており、互いに平行な２つの仮想壁に配置された２つの反射部材のうち少なくともいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に、栽培ユニット外側に凹みかつ開口が栽培ユニット内側を向いた複数の凹面が形成され、当該凹面が、部分円筒面および部分球面のうちの少なくともいずれか一方からなるので、ＬＥＤ照明装置から発せられた光を直接植物に照射するだけではなく、反射部材の反射面により反射して植物に照射することができる。したがって、各栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域に配置される植物の生育に必要な光量子束密度を確保するために必要最少数のＬＥＤパッケージを使用した上で、栽培領域全体に発せられる光量子束密度を均一化することが可能になり、設備コストおよび消費電力コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の植物栽培装置の概略構成を示す正面図である。
【図２】図１の植物栽培装置の一部の構成を示す斜視図である。
【図３】栽培ユニットを概念的に示す斜視図である。
【図４】栽培ユニットに用いられる反射部材の一例を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。
【図６】栽培ユニットに用いられる反射部材の他の例を示す平面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。この実施形態は、この発明による植物栽培装置を、植物の水耕栽培に適用したものである。
【００２３】
以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【００２４】
図１はこの発明の植物栽培装置の全体構成を示し、図２は図１の植物栽培装置の一部分を示す。図３はこの発明の植物栽培装置の載置棚上に設けられた栽培ユニットを概念的に示す。また、図４および図５は図１の植物栽培装置に用いられる反射部材の一例を示し、図６および図７は図１の植物栽培装置に用いられる反射部材の変形例を示す。
【００２５】
図１および図２において、植物栽培装置(1)は、左右方向および前後方向に間隔をおいて配置された複数のアルミニウム製支柱(2)と、左右方向に隣り合う支柱(2)間に支柱(2)に支持された状態で設けられ、かつ上下方向に間隔をおくとともに左右方向に並んで配置された複数の栽培棚(3)と、左右方向に隣り合う支柱(2)間に支柱(2)に支持された状態で設けられ、かつ各栽培棚(3)の上方に間隔をおいて配置されたＬＥＤ照明装置(4)とを備えており、栽培棚(3)に植物(P)が植えられている。
【００２６】
各栽培棚(3)上に、直方体状の栽培ユニット(10)が設けられている。図示は省略したが、各栽培棚(3)に、植物(P)の根が収容される栽培槽が設けられており、各栽培槽に、植物(P)の生育に必要な水分や栄養分が供給されるようになっている。栽培槽の上側はカバー(5)により覆われており、植物(P)がカバー(5)に形成された貫通穴内に配置された支持部材（図示略）により支持され、植物(P)の根はカバー(5)の下側に広がり、植物(P)の茎はカバー(5)に形成された貫通穴を通してカバー(5)の上方に伸び、葉がカバー(5)の上方に存在している。ＬＥＤ照明装置(4)は、額縁状の水平枠(6)と、水平枠(6)に取り付けられた複数の直管状ＬＥＤ灯具(7)とからなる。図示は省略したが、ＬＥＤ灯具(7)は、ＬＥＤチップが実装され、かつ各載置棚(3)に植えられる全栽培槽(4)の植物の生育に必要な光量子束密度（以下の説明において、単に光量と称するものとする）を発するＬＥＤパッケージのみを使用している。
【００２７】
各栽培棚(3)上の栽培ユニット(10)を概念的に示す図３において、栽培ユニット(10)は、６つの長方形状仮想壁、すなわち上下両仮想壁(11)(12)、左右両仮想壁(13)(14)および前後両仮想壁(15)(16)で囲まれている。栽培ユニット(10)の上下両仮想壁(11)(12)は左右方向に長い長方形状であり、下仮想壁(12)が、栽培棚(3)における栽培槽のカバー(5)の上面全体を覆うように位置している。下仮想壁(12)に植物(P)が配置される栽培領域(17)が設けられており、栽培ユニット(10)の下仮想壁(12)の栽培領域(17)において、植物(P)が、下仮想壁(12)の下側に根が広がるとともに、同上側に葉が存在するように配置されている。ＬＥＤ照明装置(4)は、下仮想壁(12)の上方に間隔をおいて配置されている。栽培ユニット(10)の左右両仮想壁(13)(14)は上下両仮想壁(11)(12)の左側縁どうしおよび右側縁どうしを連結し、前後両仮想壁(15)(16)は上下両仮想壁(11)(12)の前後両側縁どうしを連結する。
【００２８】
栽培ユニット(10)の６つの仮想壁(11)〜(16)のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁における栽培ユニット(10)内側を向いた部分に、反射部材が配置されている。
【００２９】
図４および図５に示すように、反射部材(20)は片面が反射面(21)となっており、反射面(21)が栽培ユニット(10)内側を向くように配置される。反射部材(20)の反射面(21)に、反射面(21)とは反対側（栽培ユニット(10)外側）に凹みかつ開口が栽培ユニット(10)内側を向いた複数の部分円筒面(22)（凹面）が形成されている。反射部材(20)の部分円筒面(22)の曲率半径が５ｍｍ以上であり、同じく深さが前記曲率半径よりも小さくなっていることが好ましい。また、反射部材(20)を、当該反射部材(20)が配置された仮想壁と平行な投影面に投影した投影図において、全部分円筒面(22)の合計面積が、前記投影図の全体の面積の１０％以上となっていることが好ましい。図示の例では、前記投影図において、全部分円筒面(22)の合計面積が、前記投影図の全体の面積の１００％となっている。なお、反射部材(20)を、上下両仮想壁(11)(12)を除いた４つの仮想壁、すなわち左右両仮想壁(13)(14)および前後両仮想壁(15)(16)に配置する場合、部分円筒面(22)の長手方向を上下方向に向けることが好ましい。
【００３０】
また、図４および図５に示す反射部材(20)に代えて、図６および図７に示すように、片面が反射面(26)となっており、反射面(26)に、反射面(26)とは反対側（栽培ユニット(10)外側）に凹みかつ開口が栽培ユニット(10)内側を向いた複数の部分球面(27)が形成されている反射部材(25)を、反射面(26)が栽培ユニット(10)内側を向くように用いてもよい。反射部材(25)の部分球面(27)の開口の直径が５〜２０ｍｍであり、同じく深さが前記直径よりも小さくなっていることが好ましい。また、反射部材(25)を、当該反射部材(25)が配置された仮想壁と平行な投影面に投影した投影図において、全部分球面(27)の合計面積が、前記投影図の全体の面積の１０％以上となっていることが好ましい。部分球面(27)は、図６に示すように、前後左右に整列するように行列状に設けられていてもよいし、あるいは千鳥配置状に設けられていてもよい。
【００３１】
上述した２つの反射部材(20)(25)は、たとえば片面が反射面となっているアルミニウム板にプレス加工を施すことにより形成される。
【００３２】
なお、図４および図５に示す反射部材(20)と、図６および図７に示す反射部材(25)とが混在するように用いられる場合もある。
【００３３】
上記においては、１つの反射部材(20)(25)に、部分円筒面(22)または部分球面(27)だけが設けられているが、これに代えて、１つの反射部材(20)(25)に、部分円筒面(22)および部分球面(27)の両者が設けられる場合もある。
【００３４】
さらに、栽培ユニット(10)の６つの仮想壁(11)〜(16)のうち上下両仮想壁(11)(12)に反射部材が配置される場合、これら２つの反射部材のうちいずれか一方の反射部材として、図４および図５に示す反射部材(20)または図６および図７に示す反射部材(25)が用いられ、同他方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面が平坦面となっていてもよい。
【００３５】
以下、この発明の植物栽培装置(1)の効果を実証するために行った実験例について、比較実験例とともに説明する。
【００３６】
実験例および比較実験例
暗室内において、左右方向の長さが１３００ｍｍ、前後方向の長さが６５０ｍｍの上下両仮想壁(11)(12)と、前後方向の長さが６５０ｍｍ、上下方向の高さが３００ｍｍの左右両仮想壁(13)(14)と、左右方向の長さが１３００ｍｍ、上下方向の高さが３００ｍｍの前後両仮想壁(15)(16)とからなる直方体状の栽培ユニット(10)を想定し、栽培ユニット(10)の上仮想壁(11)の内側に４本のＬＥＤ灯具を、長手方向を左右方向に向けるとともに、前後方向の等間隔をおいて配置した。
【００３７】
ＬＥＤ灯具は、長さが１２００ｍｍ、直径が３０ｍｍの直管状であり、１つの赤色ＬＥＤチップ（昭和電工社製、ＨＲＰ−３５０Ｆ）が実装された赤色ＬＥＤパッケージと、１つの青色ＬＥＤチップ（昭和電工社製、ＧＭ２ＧＲ４５０Ｇが実装された青色ＬＥＤパッケージとが左右方向に間隔をおいて１直線上に並べられたパッケージ列が、前後方向に間隔をおいて２列設けられている。各パッケージ列においては、３つの赤色ＬＥＤパッケージおよび１つの青色ＬＥＤパッケージが、青色ＬＥＤパッケージが一端に位置するように並べられることにより構成された３０個のモジュールが配置されている。したがって、各ＬＥＤ灯具には、１８０個の赤色ＬＥＤパッケージと６０個の青色ＬＥＤパッケージとが配置されている。
【００３８】
また、栽培モジュール(10)の６つの仮想壁(11)〜(16)のうち少なくとも互いに平行な２つの壁の内側または１つの壁の内側に、片面が反射率９９％の反射面となっている反射部材Ａ〜Ｇを、反射面が内側を向くように配置した実験装置と、すべての仮想壁の内側に反射部材を配置していない実験装置とを用意した。用いた反射部材の種類、および反射部材を配置した部分を表１に示す。
【００３９】
ここで、表１中における反射部材Ａは、反射面に、開口の直径５mm、深さ３mmの部分球面が縦横に行列状に整列して形成され、縦横に隣り合う部分球面間の距離が１mmとなっているものである。反射部材Ｂは、反射面に、開口の直径１０mm、深さ６mmの部分球面が縦横に行列状に整列して形成され、縦横に隣り合う部分球面間の距離が１mmとなっているものである。反射部材Ｃは、反射面に、開口の直径２０mm、深さ１２mmの部分球面が縦横に行列状に整列して形成され、縦横に隣り合う部分球面間の距離が１mmとなっているものである。反射部材Ｄは、反射面に、曲率半径５０mm、深さ４０mmの部分円筒面が、隙間なく形成されたものである。反射部材Ｅは、反射面に、曲率半径１００mm、深さ８０mmの部分円筒面が、隙間なく形成されたものである。反射部材Ｆは、反射面に、曲率半径２００mm、深さ１６０mmの部分円筒面が、隙間なく連続して形成されたものである。なお、反射部材Ｄ〜Ｆを実験箱の左右両側壁および前後両側壁の内面に配置する際には、部分円筒面の長手方向が上下方向を向くように配置した。反射部材Ｇは、反射面が平坦面となっている。
【００４０】
さらに、栽培ユニット(10)の下仮想壁(12)上に、９つの光量子束密度計（ＬＩ−ＣＯＲ社製Light Meter LI250A）を、光量子束密度計の検知部がＬＥＤ灯具の下方２００mmの高さで、かつ上下両仮想壁(11)(12)と平行な水平面の９点、すなわち前記水平面の前側辺の左右両端の点および左右方向の中心の点、左右両側辺の前後方向の中心の点、全体の中心の点、ならびに後側辺の左右両端の点点および左右方向の中心の点に位置するように配置した。
【００４１】
そして、ＬＥＤ灯具により下方を照射し、光量子束密度計により前記９点での光量を測定して、９点の平均光量、最大光量と最小光量との光量差、および光量差を平均光量で除した光量差率を求めた。その結果も、表１に示す。
【表１】
2014226121.tif 000003
【００４２】
表１に示す結果から、６つの仮想壁で囲まれた直方体状の栽培ユニットにおいて、６つの仮想壁のうち少なくとも互いに平行な２つの仮想壁における栽培ユニット内側を向いた部分に、栽培ユニット内側を向く反射面を有する板状の反射部材が配置されており、互いに平行な２つの仮想壁に配置された２つの反射部材のうち少なくともいずれか一方の反射部材における栽培ユニット内側を向いた反射面に、栽培ユニット外側に凹みかつ開口が栽培ユニット内側を向いた複数の凹面が形成されている実験例１〜９においては、平均光量が比較的大きくなっているとともに、前記光量差率が５０％以下となっており、ＬＥＤ照明装置(4)から下仮想壁の栽培領域全体に発せられる光量が効果的に均一化されている。これに対し、比較実験例１〜３においては、平均光量が比較的小さくなっているとともに、前記光量差率が５５０％を超えており、栽培領域(5)全体に発せられる光量が不均一になっている。
【００４３】
上記実施形態においては、植物栽培装置は、植物の水耕栽培に適用されているが、これに限定されるものではなく、植物の土耕栽培にも適用可能である。この場合、植物は栽培槽に入れられた土に植えられ、栽培槽の上側がカバーにより覆われ、カバーに形成された貫通穴に植物の茎が通され、植物の葉がカバーの上方に存在させられ、栽培ユニットの下仮想壁がカバーの上面全体を覆うようになっている。すなわち、植物が、栽培ユニットの下仮想壁の栽培領域において、下仮想壁の下側に根が広がるとともに、同上側に葉が存在するように配置される。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
この発明による植物栽培装置は、ＬＥＤ照明装置を人工光源とする植物工場、野菜工場、育苗装置などにおいて好適に用いられる
【符号の説明】
【００４５】
(1)：植物栽培装置
(3)：栽培棚
(4)：ＬＥＤ照明装置
(10)：栽培ユニット
(11)：上仮想壁
(12)：下仮想壁
(13)(14)：左右両仮想壁
(15)(16)：前後両仮想壁
(17)：栽培領域
(20)(25)：反射部材
(21)(26)：反射面
(22)：部分円筒面
(27)：部分球面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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