(57)【要約】      （修正有）【課題】空調コストを抑えつつ容易に栽培室の温度を設定された温度に制御することが可能な植物工場を提供する。【解決手段】栽培室を構成する壁、天井、床のうち少なくとも一つの面について、間を空壁部で隔てられた二つの断熱壁により構成され、かつ、室内側の断熱壁には複数の開口部が設けられ、各開口部にはファンと開閉扉１１０が取り付けられている。複数のファンの一部はそのファンの取り付けられた開口部を通じて空気を室内から前記の空壁部に送り込むように動作することができ、その他のファンはそのファンの取り付けられた開口部を通じて空気を前記の空壁部から室内に送り込むように動作することができる。空気を空壁部へ送り込むためのファンが取り付けられた開口部は前記の断熱壁の四辺のうちの特定の一辺に沿うように設けられ、その他の開口部は前記の辺に相対する辺に沿うように配置される。ファンの流量はほぼ連続的に制御できる。【選択図】図２
2019193605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工光源により植物を栽培する植物工場であって、空壁を挟んだ2重の外壁を備え、かつ、内側の壁には開閉扉のついた空気流入口を二つ以上備え、前記空気流入口にはファンが設置されていることを特徴とする植物工場
【請求項２】
請求項1の植物栽培施設であって、前記複数の空気流入口の一部は前記空壁部へ空気を取り込むように稼働するファンが取り付けられるとともに、前記断熱壁の一辺に沿うように設置され、その他の前記空気流入口には室内へ空気をりこむように稼働するファンが取り付けられるとともに、前記空壁部へ空気を取り込むように稼働するファンが取り付けられた開口部が沿う辺に相対する辺に沿うように取り付けられたことを特徴とする植物工場
【請求項３】
請求項2の植物工場であって、前記ファンが駆動する際には前記開閉扉が開き、前記ファンが停止するときには開閉扉が閉じるように動作する植物工場
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は人工光型の植物工場に関し、特にその冷房コストを軽減できる植物工場に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
環境に依存せず安定的に野菜を生産するための設備としてLEDや蛍光灯といった人工光をもちいた植物工場が注目を浴びている。この人工光型の植物工場では、栽培室の温度を植物の育成に好ましい温度に保つため、光源により発生した熱を空調設備により外部に排出することが一年を通じて必要とされる。このため、空調コストを軽減することが課題の一つとしてあげられる。
【０００３】
特許文献1にはその解決策として、外気温の温度にあわせて天井の断熱壁を開閉できるようにした植物栽培用ハウスが提案されている。しかしながら、特許文献1の方法では、温度の制御を天井の断熱壁の開閉により行うので、温度の精密な制御には適さない。植物工場では栽培室の温度を望ましくは設定温度±1℃程度に制御したい。通常の空調用のエアコンを用いれば、この程度の温度安定性は容易に実現できる。しかし、特許文献1の発明では、外部への単位時間あたりの放熱量は外気温と室内の温度の温度差により決まる。外気温度がそれほど低くなく、単位時間当たりの放熱量が小さい場合には室温を設定温度まで下げることができない。一方、外気温が低すぎる場合には、断熱板を開いたままでは、単位時間当たりの放熱量が大きすぎて、室温が下がりすぎてしまうため、頻繁に天井の断熱壁を開閉する必要があり、制御性が悪いといった難点がある。通常の空調用エアコンでは室温を一定にするために1分周期程度で放熱量を上下させることも珍しくない。特許文献1の発明で同様の周期で断熱板を開閉されるのは煩雑で、また断熱壁の開閉機構の耐久性を充分に高めねばならずコストに与ええる影響が大きい。このように、特許文献1の発明には空調コストを抑えるといった利点があるものの、栽培室の温度を一定に制御するには向かない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2009-268377
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決する課題は空調コストを抑えつつ容易に温度を設定された温度に制御することが可能な植物工場である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る植物工場はその栽培室を構成する壁、天井、床のうち少なくとも一つの面について、空間部で隔てられた二つの相対する断熱壁からなる二重断熱壁が設置され、かつ、室内側の断熱壁には複数の開口部が設けられ、各開口部にはファンと開閉扉が取り付けられている。複数のファンの一部はそのファンの取り付けられた開口部を通じて空気を室内から前記の空間部に送り込むように動作することができ、その他のファンはそのファンの取り付けられた開口部を通じて空気を前記の空間部から室内に送り込むように動作することができる。またファンの流量は外部からほぼ連続的に制御できることが好ましい。空気を空間部へ送り込むためのファンが取り付けられた開口部は前記の断熱壁の四辺のうちの特定の一辺に沿うように設けられ、その他の開口部は前記の辺に相対する辺に沿うように配置されることが好ましい。
【０００７】
本発明の断熱壁に取り付けられた開閉扉は外気温が室内の温度より高いときには閉じられ、ファンは停止している。一方、外気温が室温より低い場合は、前記の開閉扉が開くとともにファンを回転させる。このとき、開閉扉が閉じられファンが停止した状態と比較して、二重断熱壁の熱抵抗は小さくなる。これにより前記二重断熱壁を通じた放熱が促進されるが、その放熱量はファンの回転数により容易に制御可能である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる植物栽培施設では、外気温が栽培室の温度よりも高い場合には空気流入口の開口部の扉を閉めることにより高い断熱性能を実現し、外部からの熱の流入を抑制することにより、空調コストを抑制できる。一方、外気温が栽培室の温度よりも低い場合には空気流入口の開閉扉を開け、ファンを回転させることにより断熱性能を下げ、二重断熱席を通じた熱の放出を促進することにより空調コストを抑制することができる。また、二重断熱壁からの熱の放出が大きくなりすぎて栽培室内を設定温度に維持できなくなることのないように、ファンの回転数を制御することにより適切な断熱性能に容易に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】栽培室の模式図(上面図)
【図２】二重断熱壁の模式図(上面図)
【図３】二重断熱壁を栽培室内部からみた模式図(側面図)
【図４】制御回路のブロック図
【実施例】
【００１０】
図1に栽培室を上からみた模式図を示す。図1で栽培室1内には複数の栽培棚101が設置され、そこで野菜が栽培されている。また図示しない空調機により室温は所定の温度に保たれている。この温度は栽培する野菜に依存するが、通常は20-25℃である。図1で栽培室1の左側と上側は本発明の特徴である二重断熱壁102で断熱されている。その他の壁、天井床は所定の断熱性能をもつ材料で構成されている。本実施例では図1の図面上側が南、図面左側が東となっている。また、図面右側には別の栽培室が、図面下側には廊下がある。これに対して図面上側、図面左側は屋外となっている。このため、外気に直接接する図面上側と図面左側に二重断熱壁を使用している。
【００１１】
図2に本発明の特徴である二重断熱壁102を上から見た模式図を示す。図2では図面上側が屋外で図面下側が栽培室1である。二重断熱壁102は屋外側に外側断熱壁103があり、栽培室側に内側断熱壁104があり、その間に中空の領域として空間部105が存在する。外側断熱壁103と内側断熱壁104はそれぞれが所定の断熱性能をもつ壁となっている。外側断熱壁103と内側断熱壁104は熱伝導率、厚みは同一である必要はない。本実施例では外側断熱壁103の熱伝導率は0.1 (Wm/K)、その厚みは0.01(m)である。また、内側断熱壁104の熱伝導率は0.04 (Wm/K)、その厚みは0.1(m)である。空間部105は空気で満たされた空間である。本実施例ではその厚みは0.05(m)である。
【００１２】
内側断熱壁104には図面左端に空気流入口106が、また図面右端に空気流出口107がそれぞれ複数設置されている。空気流入口106は内側断熱壁に開けられた穴で、空気流入用ファン108と開閉扉110が取り付けられている。空気流入用ファン108は稼働すると栽培室から空間部105に空気を取り入れる。空気流出口107は内側断熱壁104に開けられた穴で、空気流出用ファン109と開閉扉110が取り付けられている。空気流出用ファン109は稼働すると空間部105から栽培室に空気を排出する。
【００１３】
空気流入用ファン108と空気流出用ファン109は同時に稼働する。また、これらのファンの稼働時には開閉扉110は開く。一方、これらのファンが停止しているときには開閉扉110は閉じ、空間部105と栽培室内との空気の移動を抑制する。
【００１４】
図3に二重断熱壁102を栽培室内から見た模式図を示す。内側断熱壁104には空気流入口106、空気流出口107が複数設置されている。この図では図示しないが各空気流入口106それぞれには空気流入用ファン108と開閉扉110が設置されている。各空気流出口107それぞれには空気流出用ファン109と開閉扉110が設置されている。空気流入口106は図で二重断熱壁102の左辺に沿うように配置されている。一方、空気流出口107は図で二重断熱壁102の右辺に沿うように配置されている。このため、空気流入用ファン108と空気流出用ファン109が稼働すると空間部105には図2で左から右へと空気の流れが発生し、空間部105内の空気をスムーズに入れ替えることができる。
【００１５】
次に二重断熱壁の動作について説明する。外気温が栽培室内部の温度よりも高い場合は、空気流入用ファン108と空気流出用ファン109は停止し、開閉扉110は閉じる。このとき、栽培室内と空間部１０５の間の空気の移動はなく、二重断熱壁102は外側断熱壁103と内側断熱壁104を直列に並べた状態とみなせる。外側断熱壁103の熱伝導率をSo、その厚みをWoとすると外側断熱壁103の単位面積当たりの熱抵抗Roは数1となる。
【数１】
2019193605.tif 000003
【００１６】
同様に、内側断熱壁104の熱伝導率をSi、その厚みをWiとすると内側断熱壁104の単位面積当たりの熱抵抗Riは数2となる。
【数２】
2019193605.tif 000004
【００１７】
このとき断熱壁全体の単位面積あたりの熱抵抗はRi+Roとなる。一方、外気温が栽培室内部の温度よりも低い場合は、開閉扉110を開けるとともに、空気流出用ファン108と空気流出用ファン109を稼働させ栽培室内と空間部105の間に空気を循環させる。ファンの流量が十分であれば、このとき空間部105の温度は栽培室内の温度とほぼ等しくなる。このとき、内側断熱壁104の断熱効果はほぼなくなり、二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗はRoとなる。本実施例ではSo=0.1(W/mK)、Wo=0.01(m)なのでRo=0.1(Km2/W)となる。また、Si=0.04(W/mK)、Wi=0.1(m)なのでRi=2.5(Km2/W)となる。このため開閉扉を閉じた状態での二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗は2.6(Km2/W)なのに対して、開閉扉を開けてファンの流量を十分に大きくした場合は二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗は0.1(Km2/W)と大きく減少する。またファンの流量を調整することにより、0.1(Km2/W)と2.6(Km2/W)の間の値に容易に調整できる。ファンを回転させない場合、二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗は開閉扉を閉じた状態での単位面積当たりの熱抵抗2.6(Km2/W)に近い値となる。ファンを回転数をあげてゆくと、それによって空壁部105内の空気の流量が増大するにつれて、二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗は徐々に減少し、十分な流量の下では二重断熱壁102の単位面積当たりの熱抵抗は0.1(Km2/W)となる。このように、本実施例では開閉扉の開け閉めとファンの流量調整により容易に断熱壁の断熱性を調整できる。
【００１８】
次に扉の開閉ならびにファンの流量の調整の具体的な方法について述べる。扉の開閉とファンの回転を制御するための制御装置のブロック図を示したのが図4である。図4で111は 二重断熱壁制御装置、112はその制御IC、113は外気温計測用温度計で屋外に設置されるとともに制御IC112と接続されている。114は 室温計測用温度計で栽培室内に設置されるとともに制御IC112と接続されている。115は扉開閉制御回路で制御IC112からの信号に基づいて開閉扉110に取り付けられている開閉用のモーターへの電量供給の有無と電圧極性の切り替えを行う。これにより開閉扉の開閉が実験する。116はファン回転制御回路で、制御IC112からの信号に基づいてファンへ所定の電圧を供給する。ファンへの供給電圧が0Vであればファンは停止する。ファンへの供給電圧が定格電圧の最大値のときファンの流量は最大となる。117は無線通信ICで制御室にあるパーソナルコンピューター113と制御用IC112の間の通通信を中継する。
【００１９】
パーソナルコンピュータ118は図示しない制御室に置かれ、植物栽培のための各種プログラムがその中で稼働している。栽培室の室温管理プログラム119もその一つで、このプログラムにより二重断熱壁102の動作はコントロールされる。栽培室1には空調機が設置されており、栽培室の温度を一定に保つように冷房能力の調整を自律的に行っている。例えば設定温度を20℃にしておけば、空調機の能力が足りる状況であれば室温は19℃から21℃の間に維持される。栽培室では多くのLEDが植物栽培のために点灯しており、部屋からの壁を通じた放熱が一定レベル以下であれば冬場であっても冷房が必要な状況となる。外気温が室温より低い場合は空調コストを抑えるために二重断熱壁102の熱抵抗を低い状態に設定し、壁を通じた放熱を促進し空調機の稼働を抑えることが好ましい。しかし、外気温が低い状態で、かつ、部屋からの壁を通じた放熱が一定レベル以下となると、冷房を切った状態でも部屋の温度が19℃を下回るようになる。このような状態では二重断熱壁102の熱抵抗を増大させて、壁を通じた放熱を抑える必要がある。また、外気温が室温より高い場合は外部からの熱の流入を抑えるために、二重断熱壁102の熱抵抗を最大にすることが好ましい。このように二重断熱壁102の熱抵抗を動的に変化させるために、パーソナルコンピュータの室温管理プログラム119は制御IC112と通信することにより、開閉扉とファンの動作を制御する。
【００２０】
温度管理プログラム119は起動すると、最初に制御用IC１１２と通信し、現在の二重断熱壁102の状態に関する情報を取得する。その後は所定の間隔で、制御IC112と通信することにより、外気温計測用温度計113の指示温度と室温計測用温度計114の指示温度を取り込む。本実施例では通信間隔は1分であるが、これに限らない。通信間隔が短いほど迅速に室温の変化に追従でき、通信間隔が長いほど通信や温度の測定にかかる消費電力を抑えられる。
【００２１】
温度管理プログラム119は取り込んだ温度計の指示値に基づいて現状が以下の3つの状態のいずれに該当するかを判定する。1. 外気温が室温より高い。2.外気温が室温より低く室温が制御温度範囲である。本実施例では室温が19℃以上の場合にこの状態と判定する。3.外気温が室温より低く、さらに室温が制御温度範囲より低い。本実施例では室温が19℃未満の場合にこの状態と判定する。
【００２２】
1の状態と判定された場合には、開閉扉110が閉じられ、空気流入用ファン108と空気流出用ファン109を停止した状態にするように、制御用IC112に指示を出す。制御用IC112は指示に合わせた状態となるように扉開閉制御回路115とファン回転制御回路116に対して信号を送る。ただし、最初からその状態になっている場合には温度管理プログラム119は制御用IC112への指示を行わない。
【００２３】
2の状態と判定された場合には、開閉扉110が閉じている場合に開閉扉110を開ける。すでに開閉扉110が開いている場合には、空気流入用ファン108の電源電圧を所定のレベルだけ上昇させる。本実施例では定格電圧の最大値の1/16だけ上昇させる。ただし、すでに空気流入用ファン108の電源電圧がすでに定格電圧の最大値に達している場合は何もしない。
【００２４】
3の状態と判定された場合には、ファンへの電源電圧を所定の値だけ下げる。ただし、すでにファンへの供給電源電圧が0Vの場合は、開閉扉を閉じる。すでに開閉扉が閉じている場合には何もしない。
【００２５】
このように温度管理プログラム119を動作させることにより、二重断熱壁102の熱抵抗を適切に変化させ、これにより空調コストを抑えつつ、栽培室の室温を設定温度に維持することができる。ファンの回転や開閉扉110の開閉が煩雑になることをさけるために、温度管理プログラム119の状態判定にヒステリシスをもたせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上のように本発明を植物工場に適用した例について説明してきたが、その他の施設であっても、内部発熱が大きく、かつ、室温を夏の外気温より低く、冬の外気温より高い温度に維持したい施設には応用可能である。
【符号の説明】
【００２７】
1 栽培室
101栽培棚
102 二重断熱壁
103 外側断熱壁
104 内側断熱壁
105 空間部
106 空気流入口
107 空気流出口
108 空気流入用ファン
109 空気流出用ファン
110 開閉扉
111 二重断熱壁制御装置
112 制御IC
113 外気温計測用温度計
114 室温計測用温度計
115 扉開閉制御回路
116 ファン回転制御回路
117 無線通信IC
118 パーソナルコンピュータ
119 温度管理プログラム
【図１】
2019193605.tif 000005
【図２】
2019193605.tif 000006
【図３】
2019193605.tif 000007
【図４】
2019193605.tif 000008