(57)【要約】【課題】シンプルな装置構成で、植物の生育環境に適したガスを供給することが可能な植物栽培用のガス供給装置を提供すること。【解決手段】植物栽培用のガス供給装置１００は、二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行う材料を収容する収容部１２と、収容部１２に、二酸化炭素及び水を含む第１ガスと、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第２ガスと、を切り替え可能に導入するガス導入部１４と、ガス導入部１４から第２ガスが導入されている間に、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスを排出するガス排出部１６と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行う材料を収容する収容部と、
収容部に、二酸化炭素及び水を含む第１ガスと、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第２ガスと、を切り替え可能に導入するガス導入部と、
ガス導入部から第２ガスが導入されている間に、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスを排出するガス排出部と、を備える、植物栽培用のガス供給装置。
【請求項２】
ガス排出部は、ガス導入部から第１ガスが導入されている間に、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第４ガスを排出する、請求項１に記載のガス供給装置。
【請求項３】
前記材料を調湿するための調湿部を備える、請求項１又は２に記載のガス供給装置。
【請求項４】
収容部から、水を含む液体を排出する液体排出部を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項５】
液体排出部からの水を前記材料の調湿に用いる、請求項４に記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記材料は、収容部に装着される１つ又は複数のカートリッジに含まれる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項７】
複数のカートリッジの少なくとも一部は異時に交換される、請求項６に記載のガス供給装置。
【請求項８】
第１ガスは、ＮＯｘ及びＳＯｘの少なくとも一方の酸化性成分を含む燃焼ガスであり、
前記材料は、前記酸化性成分の少なくとも一部を吸収して、ガス導入部から導入される前記酸化性成分よりも、ガス排出部から排出される前記酸化性成分の量を少なくする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス供給装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のガス供給装置と、
植物が栽培される内部空間を有し、当該内部空間にガス供給装置からガスが供給される栽培部と、を備える植物栽培システム。
【請求項１０】
植物に照射される光量を測定する第１測定部と、
第１測定部からの信号に基づいて、栽培部の内部空間における二酸化炭素の濃度及び相対湿度を調節する第１制御部と、を備える、請求項９に記載の植物栽培システム。
【請求項１１】
内部空間の二酸化炭素の濃度及び相対湿度の少なくとも一方を測定する第２測定部と、
第２測定部からの信号に基づいて、栽培部の内部空間における二酸化炭素の濃度及び相対湿度の少なくとも一方を調節する第２制御部と、を備える、請求項９又は１０に記載の植物栽培システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ガス供給装置及び植物栽培システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
植物を育成する植物栽培システムにおいて、温度及び二酸化炭素濃度等の条件を、植物の育成に適するように調節することが試みられている。例えば、特許文献１では、夜間に農業用ハウス内を温めるため加温機で発生した燃焼排ガスから二酸化炭素を回収して貯留し、それを昼間に農業用ハウス内に施用する技術が提案されている。この技術では、二酸化炭素を回収するための手段として、活性炭又はゼオライト等の吸着材が用いられている。
【０００３】
特許文献２では、植物を栽培する空間を有する筐体に供給する空気を、植物の栽培に対応した条件に調整する空調装置を備える植物栽培装置が提案されている。空調装置に、冷却送風装置、ＣＯ２添加器、及び、加湿器を配置することによって、空気の温度、湿度、及びＣＯ２濃度が調整されている。ＣＯ２添加器は、植物の光合成によって筐体内のＣＯ２濃度が低下したときにＣＯ２を吐出する。一方、加湿器は、植物が光合成をせず、気孔を閉じて蒸散量が減ったときにミストを噴霧し、湿度を補っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２６７０８号公報
【特許文献２】特開２０１７−２０５０７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の植物栽培システムに備えられる、化石燃料の燃焼ガスを用いたガス供給装置を用いた場合のビニールハウス内における二酸化炭素の濃度、相対湿度及び温度の経時変化の一例を図１７に示す。図１７に示されるように、光合成が行われる日中に燃焼ガスをビニールハウス内に導入すると、温度の上昇に伴って相対湿度が低下する。ここで、植物の生育に適した環境にするために、二酸化炭素の濃度のみならず、例えば相対湿度の調節も行う場合に個別に調節機構を設けると装置構成が複雑になる。
【０００６】
そこで、本開示は、一つの側面において、シンプルな装置構成で、植物の生育環境に適したガスを供給することが可能な植物栽培用のガス供給装置を提供することを目的とする。本開示は、別の側面において、上記ガス供給装置を備えることによって、植物の生育を促進しつつ、設備構成をシンプルにすることが可能な植物栽培システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、一つの側面において、二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行う材料を収容する収容部と、収容部に、二酸化炭素及び水を含む第１ガスと、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第２ガスと、を切り替え可能に導入するガス導入部と、ガス導入部から第２ガスが導入されている間に、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスを排出するガス排出部と、を備える、植物栽培用のガス供給装置を提供する。
【０００８】
本開示のガス供給装置は、収容部に二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行う材料が収容されている。この材料は、第１ガスが導入されている間に吸収した二酸化炭素及び水を、収容部に第２ガスが導入されている間に放出する。ガス排出部は、例えば植物が光合成を行う時間帯に、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスを排出する。このような第３ガスを植物の栽培を行う栽培部に供給することによって、第２ガスをそのまま栽培部に供給する場合に比べて二酸化炭素の濃度とともに相対湿度を高くすることができる。
【０００９】
通常、植物の光合成が活発になると、栽培部内の植物は二酸化炭素を吸収する。このとき、植物が二酸化炭素を効率よく葉内に取り込むためには、葉の気孔の開度を大きくするために相対湿度の低下を抑制する必要がある。上述のガス供給装置は、二酸化炭素の濃度とともに相対湿度を高くすることができるため、光合成を一層促進することができる。そして、二酸化炭素と水の吸収及び放出を収容部に収容された材料を用いて行うため、装置構成をシンプルにすることができる。このように、シンプルな装置構成で、植物の生育環境に適したガス（第３ガス）を供給することができる。
【００１０】
なお、ガス導入部から第２ガスが導入されている間の全ての期間において、ガス排出部から、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスが継続して排出されることは必須ではない。例えば、ガス導入部からの導入ガスが第１ガスから第２ガスに切り替えられた直後、及び、第２ガスの導入が長期間継続して行われ、材料に吸収された二酸化炭素及び水が全て放出された後等は、ガス排出部は第３ガスとは異なるガス（例えば、二酸化炭素の濃度及び相対湿度が第２ガスと等しいガス）を排出してもよい。
【００１１】
ガス排出部は、ガス導入部から第１ガスが導入されている間に、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第４ガスを排出してもよい。これによって、材料による二酸化炭素の吸収を効率的に行うことができる。なお、ガス導入部から第１ガスが導入されている間の全ての期間において、ガス排出部から第４ガスが継続して排出される必要はない。例えば、ガス導入部からの導入ガスが第２ガスから第１ガスに切り替えられた直後、及び、第１ガスの導入が長期間継続して行われ、材料における二酸化炭素及び水の吸収量の上限に到達した後等は、ガス排出部は第４ガスとは異なるガス（例えば、二酸化炭素の濃度及び相対湿度が第１ガスと等しいガス）を排出してもよい。
【００１２】
上記材料を調湿するための調湿部を備えてもよい。これによって、材料の水の吸収及び放出を円滑にするとともに材料の性能を十分に高い水準に維持することができる。したがって、植物の生育を一層促進することができる。また、材料の交換頻度を低減することができる。
【００１３】
収容部から、水を含む液体を排出する液体排出部を備えてもよい。これによって、収容部に収容される材料が、結露によって生じた凝縮水等によって閉塞し、材料の性能が低下することを抑制できる。
【００１４】
液体排出部からの水を材料の調湿に用いてもよい。これによって、水の消費量を低減することができる。
【００１５】
上記材料は、収容部に装着される１つ又は複数のカートリッジに含まれてもよい。これによって、材料の交換を容易に行うことができる。
【００１６】
複数のカートリッジの少なくとも一部は異時に交換されてもよい。これによって、例えば、材料が劣化しやすい部分を材料が劣化しにくい部分よりも高頻度で交換することができる。毎回、材料の全部を交換する場合に比べて、交換作業の負荷を低減しつつコストを低減することができる。
【００１７】
第１ガスは、ＮＯｘ及びＳＯｘの少なくとも一方の酸化性成分を含む燃焼ガスであり、上記材料は、上記酸化性成分の少なくとも一部を吸収して、ガス導入部から導入される上記酸化性成分よりも、ガス排出部から排出される上記酸化性成分の量を少なくするものであってもよい。これによって、酸化性成分の濃度及び放出量を低減することができる。
【００１８】
本開示は、別の側面において、上述のいずれかのガス供給装置と、植物が栽培される内部空間を有し、当該内部空間にガス供給装置からガスが供給される栽培部と、を備える植物栽培システムを提供する。このような植物栽培システムは、上述のガス供給装置を備えることから、植物の生育を促進しつつ、設備構成をシンプルにすることができる。
【００１９】
上記植物栽培システムは、植物に照射される光量を測定する第１測定部と、第１測定部からの信号に基づいて、栽培部の内部空間における二酸化炭素の濃度及び相対湿度を調節する第１制御部と、を備えていてもよい。これによって、例えば、植物による光合成の開始及び停止のタイミングに合わせて、二酸化炭素濃度と相対湿度を調節することができる。したがって、光合成の開始及び停止と調節とのタイムラグを低減して、植物の生育を一層促進することができる。
【００２０】
上記植物栽培システムは、内部空間の二酸化炭素の濃度及び相対湿度の少なくとも一方を測定する第２測定部と、第２測定部からの信号に基づいて、栽培部の内部空間における二酸化炭素の濃度及び相対湿度の少なくとも一方を調節する第２制御部と、を備えていてもよい。第２測定部及び第２制御部を備えることによって、二酸化炭素の濃度及び相対湿度をより高い精度で調節することができる。したがって、植物の生育を一層促進することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本開示は、一つの側面において、シンプルな装置構成で、植物の生育環境に適したガスを供給することが可能な植物栽培用のガス供給装置を提供することができる。本開示は、別の側面において、上記ガス供給装置を備えることによって、植物の生育を促進しつつ、設備構成をシンプルにすることが可能な植物栽培システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、ガス供給装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】図２は、吸収モード時のガス供給装置と植物栽培システムの運転を示す図である。
【図３】図３は、放出モード時のガス供給装置と植物栽培システムの運転を示す図である。
【図４】図４は、栽培部における温度、相対湿度及び二酸化炭素濃度の経時変化の一例を示す図である。
【図５】図５は、収容部における材料の収容形態の一例を示す図である。
【図６】図６は、植物栽培システムに適用される制御の一例を示す機能ブロック図である。
【図７】図７は、実施例１，２のガス供給装置の模式図である。
【図８】図８は、実施例１，２で用いたアクリル板の写真である。
【図９】図９は、実施例１，２で用いたアクリル製の容器の蓋の写真である。
【図１０】図１０は、実施例１，２で用いたアクリル製の容器本体の写真である。
【図１１】図１１は、実施例１の二酸化炭素の吸収量と放出量の経時変化を示すグラフである。
【図１２】図１２は、実施例１の二酸化炭素濃度と相対湿度の経時変化を示すグラフである。
【図１３】図１３は、実施例２の二酸化炭素の吸収量と放出量の経時変化を示すグラフである。
【図１４】図１４は、実施例２の二酸化炭素濃度と相対湿度の経時変化を示すグラフである。
【図１５】図１５は、実施例１，２における二酸化炭素の吸収量の積算値を示すグラフである。
【図１６】図１６は、実施例１，２における二酸化炭素の放散量の積算値を示すグラフである。
【図１７】図１７は、従来の栽培部における温度、相対湿度及び二酸化炭素濃度の経時変化の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、場合により図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
【００２４】
図１は、植物栽培用のガス供給装置の一実施形態を示す模式図である。図１のガス供給装置１００は、二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行う材料１０を収容する収容部１２と、収容部１２に、二酸化炭素及び水を含む第１ガスと、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第２ガスと、を切り替え可能に導入するガス導入部１４と、ガス導入部１４から収容部１２に第２ガスが導入されている間に、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスを排出するガス排出部１６ａと、ガス導入部１４から収容部１２に第１ガスが導入されている間に、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧及び相対湿度が低い第４ガスを排出するガス排出部１６ｂと、を備える。なお、ガス排出部１６ａとガス排出部１６ｂとを併せて、ガス排出部１６と称することもある。
【００２５】
ガス導入部１４は、例えば、加熱部に接続されている。加熱部は、例えば重油又は灯油等の化石燃料を燃焼することによって、空気等の導入ガスから導入ガスよりも高い温度を有するとともに高い二酸化炭素濃度を有する燃焼ガスを生成する。ガス導入部１４には、第１ガスとして燃焼ガスと、第２ガスとして空気等の導入ガスとを、切り替え可能に収容部１２に導入する。ガス導入部１４又はその近傍に、燃焼ガスに含まれる煤等の微粒子を除去するフィルターを設けてもよい。また、ガス導入部１４又はその近傍に、ブロア、ファン、又はコンプレッサーを配置してもよい。これによって、燃焼ガス又は空気を効率的に収容部１２に導入することができる。
【００２６】
収容部１２に収容される材料１０は、二酸化炭素と水の吸収及び放出を、二酸化炭素の分圧及び／又は水の分圧を変化させる圧力スイングによって可逆的に行うことができる種々のものを用いることができる。なお、二酸化炭素と水の吸収及び放出を可逆的に行うだけでなく、二酸化炭素と水のそれぞれの吸収量及び放出量についても、二酸化炭素の分圧及び／又は水の分圧を変化させる圧力スイングによって調整することもできる。
【００２７】
材料１０に含まれる成分としては、ポリマーゲル、ポリマーゲル微粒子、ポリマーゲル微粒子の凝集体、多孔性のポリマーゲル及び陰イオン交換樹脂等が挙げられる。ポリマーゲル、ポリマーゲル微粒子、ポリマーゲル微粒子の凝集体、多孔性のポリマーゲルは、アミノ基を有するモノマーの重合体であってよい。モノマーとしては、Ｎ−（アミノアルキル）アクリルアミドが挙げられる。陰イオン交換樹脂は、交換基として三級アミンを有する弱塩基性陰イオン交換樹脂であってよい。具体的には三菱ケミカル株式会社製のアクリル系ＷＡ１０、スチレン系ＷＡ２０シリーズ、及びスチレン系ＷＡ３０等（いずれも商品名）、並びに、室町ケミカル株式会社製のＷＭＴ−７６２４ＬＧ、ダウエックス６６、及びマラソンＷＢＡ（いずれも商品名）を用いることができる。材料１０は、性能維持の観点から、水分を含んでいてもよい。材料１０における水の含有量は、例えば１〜９５質量％であってよい。
【００２８】
第１ガスは、ＮＯｘ及びＳＯｘの少なくとも一方の酸化性成分を含む燃焼ガスであってもよい。この場合、材料１０は、酸化性成分の少なくとも一部を吸収して、ガス導入部１４から導入される酸化性成分よりも、ガス排出部１６から排出される酸化性成分の量を少なくするものであってもよい。これによって、酸化性成分の濃度及び放出量を低減することができる。また、第１ガスが一酸化炭素及び臭気を有する場合、材料１０は一酸化炭素及び臭気を吸収しなくてもよい。この場合、一酸化炭素及び臭気は第４ガスの含有成分としてガス排出部１６ｂから排出されてもよい。このように、ガス供給装置１００は、クリーンな環境制御システムを構成することができる。
【００２９】
ガス供給装置１００は、例えば、材料１０が二酸化炭素を吸収する吸収モードと、材料１０が二酸化炭素を放出する放出モードを含む少なくとも２つの運転モードを有する。以下に、それぞれのモードを例にして、ガス供給装置１００及びこれを備える植物栽培システム２００の構成を詳細に説明する。
【００３０】
図２は、吸収モード時のガス供給装置１００と植物栽培システム２００の運転を示す図である。植物栽培システム２００は、ガス供給装置１００と、植物が栽培される内部空間５２を有し、内部空間５２にガス供給装置１００からガスが供給される栽培部５０を備える。栽培部５０では、植物が栽培される。植物は、光合成を行うものであれば限定されず、野菜及び穀類等の農作物であってもよいし、花、藻類及び草木であってもよい。
【００３１】
吸収モードでは、加熱部３０において、空気中でバーナ３２から供給される炭化水素を含む燃料を燃焼し、二酸化炭素及び水を含む第１ガスを発生させる。第１ガスにおける二酸化炭素の濃度は、例えば１体積％以上であってもよく、２〜３０体積％であってよく、５〜２０体積％であってもよい。本開示におけるガスの体積比率は、標準状態（０℃、１ａｔｍ）における体積比率である。
【００３２】
加熱部３０で発生した第１ガスは、煙突に向かう流路３３から分岐する流路３４によって発生した第１ガスの全量又はその一部がガス導入部１４に向かって流通する。ガス導入部１４に第１ガスを効率的に導入するために、流路３４にはブロア、ファン又はコンプレッサー等が設けられていてもよい。また、流路３４には、冷却器、フィルター、温度計、又は湿度計等が設けられていてもよい。ガス導入部１４から収容部１２に導入される第１ガスの温度は例えば５〜５０℃である。
【００３３】
流路３４には、調湿部４０が接続されている。調湿部４０は、連続的又は断続的に第１ガスを加湿又は減湿してもよい。これによって、材料１０が水を円滑に吸収する湿度に維持することができる。また、乾燥に伴う材料１０の性能低下を十分に抑制する湿度にすることができる。調湿部４０は、例えば水を霧状にして第１ガスに合流させるスプレー式のものであってよいし、超音波噴霧器であってもよい。第１ガスは、例えば霧状の水を同伴して収容部１２に導入されてもよい。別の幾つかの実施形態では、調湿部は、第１ガスを水中でバブリングさせて加湿するものであってもよい。調湿部を、ガス導入部１４の上流側に設けることは必須ではなく、例えば、収容部１２に接続して、調湿部４０からの水を材料１０に吹き付けてもよい。調湿部は、温度計及び湿度計を備えるとともに、調湿時の水温及び第１ガスの湿度を制御する機構を備えていてもよい。蒸発による冷却効果と水温の制御によって、導入される第１ガスを冷却したり適切な温度に制御したりすることができる。
【００３４】
流路３４を流通した第１ガスはガス導入部１４から収容部１２に導入される。収容部１２に導入される第１ガスの圧力（絶対圧）は、例えば１００〜１０００ｋＰａであってよく、１００〜２００ｋＰａであってもよく、１００〜１５０ｋＰａであってもよい。第１ガスの二酸化炭素の分圧は例えば０．１〜２００ｋＰａであってよく、０．２５〜４０ｋＰａであってもよく、２〜２０ｋＰａであってもよい。第１ガスの水の分圧は、０を超え１００ｋＰａであってよく、１〜５０ｋＰａであってもよい。
【００３５】
ガス導入部１４から収容部１２に導入された第１ガスは、収容部１２に収容されている材料１０と接触する。材料１０は、第１ガスに含まれる二酸化炭素及び水を吸収する。このとき、材料１０は気体状の水を吸収してもよいし、液体状の水を吸収してもよい。吸収モードでは、ガス排出部１６ａは閉止され、ガス排出部１６ｂが開放されている。ガス排出部１６ｂからは、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第４ガスが排出される。第４ガスは、ガス排出部１６ｂからそのまま大気に放出されてよいし、浄化処理を施した後に大気に放出してもよい。また、第４ガスが高温である場合には、熱回収を行ってもよい。第４ガスの温度は、例えば１０〜５０℃である。第４ガスの二酸化炭素の濃度が栽培部５０の二酸化炭素の濃度よりも高い場合には、ガス排出部１６ａを開放するとともに、ガス排出部１６ｂを閉止して、材料１０により二酸化炭素を吸収しながら二酸化炭素を含む第４ガスを栽培部５０に供給してもよい。
【００３６】
図２に示す吸収モードは、例えば植物の光合成が行われない夜間に行う。夜間には光合成が行われないため、植物が栽培される栽培部５０にはガス供給装置１００からガスが供給されなくても、植物の生育が妨げられることはない。なお、栽培部５０は、例えばビニールハウスである。ただし、栽培部５０はビニールハウスに限定されず、建屋内に設けられた植物工場であってもよい。植物工場は、植物の光合成を促進するために照明装置を有していてもよい。このような場合、吸収モードは、照明装置から光が照射されない時間帯に行うことができる。
【００３７】
図３は、放出モード時のガス供給装置１００と植物栽培システム２００の運転を示す図である。放出モードでは、加熱部３０における燃焼は停止される。これによって、ガス導入部１４から収容部１２には、第１ガスよりも二酸化炭素の分圧が低い第２ガスが導入される。第２ガスの水の分圧は第１ガスの水の分圧よりも低くてもよい。第２ガスは例えば空気である。第２ガスとして、例えば外気から加熱部３０を経由して空気が導入されてよいし、栽培部５０の内部空間５２と流路３４又はガス導入部１４とを連結して内部空間５２内のガスを導入してもよい。第２ガスは、空気よりも二酸化炭素の濃度が高いガスであってもよい。これによって、第３ガスの二酸化炭素の濃度を一層高くすることができる。収容部１２に導入される第２ガスの圧力（絶対圧）は、例えば１００〜２００ｋＰａである。
【００３８】
ガス導入部１４から収容部１２に第２ガスが導入され、第２ガスが材料１０に接触すると、材料１０に吸収されていた二酸化炭素及び水が放出される。放出モードでは、ガス排出部１６ｂは閉止され、ガス排出部１６ａが開放される。ガス排出部１６ａからは、第２ガスよりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスが排出される。この第３ガスは、ガス排出部１６ａから排出され、栽培部５０に供給される。第２ガスが空気である場合、放出モードでは、栽培部５０には空気よりも二酸化炭素濃度及び相対湿度が高い第３ガスが供給されることとなる。
【００３９】
ガス排出部１６ｂから排出される第３ガスの二酸化炭素の濃度及び相対湿度は経時的に変化してもよい。第３ガスの二酸化炭素の濃度は、例えば０．１〜２０体積％であってよく、０．２〜５体積％であってもよい。第３ガスの相対湿度は、例えば３０％ＲＨ以上であってよく、５０〜９８％ＲＨであってもよい。一方、ガス導入部１４から導入される第２ガスの二酸化炭素の濃度は、例えば１体積％未満であってよい。第２ガスの相対湿度は、例えば８０％ＲＨ以下であってよく、５〜４０％ＲＨであってもよい。
【００４０】
図３に示す放出モードは、例えば植物の光合成が行われる昼間に行う。このモードでは、植物が栽培される栽培部５０に第２ガス（例えば、空気）よりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスがガス供給装置１００から供給される。第３ガスは第２ガスよりも相対湿度が高いことから植物の葉面等にある気孔の開度を大きくすることができる。また、第３ガスは第２ガスよりも二酸化炭素の濃度が高いことから、二酸化炭素を効果的に植物に吸収させることができる。このようにして、植物の生育を促進することができる。
【００４１】
材料１０に含まれる水の気化に伴って、第３ガスの温度は、第２ガスの温度よりも低くなってもよい。これによって、例えば昼間における栽培部５０の内部空間５２の過度な温度上昇が抑制され、換気の頻度を低減することができる。これによって、二酸化炭素の大気中への流出を低減し、光合成による二酸化炭素の消費割合を十分に高くして二酸化炭素を有効活用することができる。ガス導入部１４における第２ガスの温度は例えば４０℃以下であり、ガス排出部１６ａにおける第３ガスの温度は例えば３８℃以下である。
【００４２】
放出モードでは、吸収モードと同様に第３ガスに調湿部４０から連続的又は断続的に水を加えて第３ガスを調湿してもよいし、調湿しなくてもよい。冷却装置又は加熱装置を用いて第３ガス又は水の温度を制御することによって、一層効果的に第３ガスを調湿することもできる。栽培部５０が、建屋内に設けられた植物工場内にある場合、二酸化炭素放出モードは、照明装置から植物に光が照射されている時間帯に行うことができる。
【００４３】
図４は、栽培部５０の内部空間５２における二酸化炭素の濃度、温度、及び相対湿度の経時変化の一例を示す図である。ガス供給装置１００は、夜間に図２に示される吸収モードの運転を行う。このため、栽培部５０の内部空間５２に第３ガスは供給されない。植物の光合成が始まる日出になると、ガス供給装置１００は、図３に示される放出モードの運転を開始する。放出モードの運転を開始後、栽培部５０の内部空間５２には、第２ガス（空気）よりも二酸化炭素の濃度及び相対湿度が高い第３ガスが導入される。これによって、内部空間５２における二酸化炭素の濃度及び相対湿度が上昇する。したがって、内部空間５２における植物の光合成が活発になり、生育が促進される。
【００４４】
内部空間５２の温度も、例えば日光によって上昇する。ガス排出部１６ａから排出される第３ガスの温度は、ガス導入部１４から導入される第２ガスの温度よりも低いことから、内部空間５２の温度上昇は抑制される。このため、内部空間５２の過剰な温度上昇が抑制される。その結果、栽培部５０の換気の頻度が低減され、内部空間５２における二酸化炭素の濃度及び湿度を高く維持することができる。
【００４５】
図４において、Ｒ及びＡは放出モード及び吸収モードの時間帯の一例を示している。この例では、光合成が活発ではなくなる日入の時刻が近づくと、ガス供給装置１００の運転モードを放出モードから吸収モードに切り替えている。切り替え後は、植物の光合成によって内部空間５２の二酸化炭素の濃度及び相対湿度が徐々に低下する。日入後は、植物が光合成をしなくなり、二酸化炭素の濃度及び相対湿度の変化は小さくなる。なお、換気及び気温変動等の影響によって、日入後も内部空間５２の二酸化炭素の濃度、相対湿度及び温度は変動してもよい。
【００４６】
図４の例では、日出時に吸収モードから放出モードに切り替えて、日入前に放出モードから吸収モードに切り替えたが、これに限定されない。別の例では、日出前に吸収モードから放出モードに切り替えて、日出前に内部空間５２の二酸化炭素の濃度及び相対湿度を高めておいてもよい。また、日出後に内部空間５２の二酸化炭素の濃度及び相対湿度が低下し始めるのに合わせて、吸収モードから放出モードに切り替えて、内部空間５２の二酸化炭素の濃度及び相対湿度を高めることもできる。さらに別の例では、日入時に放出モードから吸収モードに切り替えてもよい。また、日入後に放出モードから吸収モードに切り替えてもよい。さらに別の例では、二酸化炭素と水の吸収量及び放出量が、栽培部５０の内部空間５２のサイズに比べて小さく、昼間に継続して二酸化炭素と水の放出をすることが困難な場合には、昼間に断続的、又は間欠的に放出モードの運転を行ってもよいし、昼間に吸収モードと放出モードを交互に行ってもよい。
【００４７】
図５は、収容部１２における材料の収容形態の一例を示す図である。材料１０は、収容部１２に装着される複数のカートリッジ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ（以下、「カートリッジ１１ａ〜１１ｅ」と称することもある）に含まれている。収容部１２はカートリッジ１１ａ〜１１ｅを保持する保持部１８を備える。交換可能なカートリッジ１１ａ〜１１ｅは保持部１８に保持されて収容部１２に装着される。保持部１８は、例えばメッシュ状の板状部材であってよい。
【００４８】
カートリッジ１１ａ〜１１ｅは、一例では、ハニカムで構成されていて、材料はハニカムに取り付けられていてもよい。別の例では、プラスチックと材料の混合物が成形された成形体であってもよい。また別の例では、不織布などのフィルターに材料が担持されたものであってもよい。材料１０は酸化劣化する場合があるため、材料１０を交換しやすくすることは、実用上極めて有用である。
【００４９】
材料１０は、二酸化炭素と水の吸収及び放出を、それぞれの分圧に応じて可逆的に行うものであるが、使用状態等に応じて性能が劣化して交換が必要になる場合がある。このとき、カートリッジ１１ａ〜１１ｅは、同時にすべてを交換してもよいし、カートリッジ１１ａ〜１１ｅの少なくとも一部を異時に交換してもよい。
【００５０】
例えば、加熱部３０で発生する燃焼ガスに煤等が含まれる場合、カートリッジ１１ａ〜１１ｅのうち、最も上流側に配置されるカートリッジ１１ａの性能劣化が最も早くなる傾向にある。このような場合、カートリッジ１１ａのみを交換してもよい。性能劣化の状況に応じて、カートリッジ１１ａ，１１ｂのみを交換してもよい。なお、本例ではカートリッジが５つ装着されているが、カートリッジは１つであってもよい。収容部に装着されるカートリッジを用いることによって、材料の交換を容易にすることができる。
【００５１】
収容部１２には、収容部１２の内部から水を含む液体を排出する液体排出部６０が設けられている。液体排出部から排出される液体は、収容部１２に導入されたガスの温度低下に伴って生じた凝縮水、及び、調湿部４０で加えられた霧状の水等を含んでもよい。ガス供給装置１００が液体排出部６０を備えることによって、収容部に収容される材料が、水によって閉塞して性能低下することを抑制できる。
【００５２】
液体排出部６０から排出される水を含む液体を、材料の加湿に用いてもよい。例えば、液体排出部６０と調湿部４０とを接続する流路を設けて、調湿部４０において当該液体を用いてもよい。液体排出部６０と調湿部４０を接続する流路に液体ポンプを設置して効率的に水を流通させてもよい。
【００５３】
図６は、植物栽培システム２００に適用される制御の一例を示す機能ブロック図である。この例では、栽培部５０における植物に照射される光量を測定する光量測定部５４（第１測定部）と、光量測定部５４からの信号が入力される第１制御部７２と、栽培部５０における内部空間５２の二酸化炭素の濃度を測定する二酸化炭素濃度測定部５６（第２測定部）と、内部空間５２の相対湿度を測定する相対湿度測定部５８と、二酸化炭素濃度測定部５６及び相対湿度測定部５８の信号が入力される第２制御部７４とを備える。
【００５４】
第１制御部７２は、光量測定部５４からの信号に基づいて、栽培部の内部空間５２における二酸化炭素の濃度及び相対湿度の調節の要否を判定する。そして、光量が増加傾向にあると判定される場合には、二酸化炭素の濃度及び相対湿度を増加するための第１制御信号を出力する。一方、光量が減少傾向にあると判定される場合には、二酸化炭素の濃度及び相対湿度を減少するための第１制御信号を出力する。
【００５５】
第２制御部７４は、二酸化炭素濃度測定部５６及び相対湿度測定部５８からの信号に基づいて、栽培部５０の内部空間５２における二酸化炭素の濃度及び相対湿度を調節するための第２制御信号を算出する。第２制御部７４による制御は通常のＰＩＤ制御処理（Ｐ：比例制御、Ｉ：積分制御、Ｄ：微分制御）を行うことが可能なように構成されてもよい。第１制御信号及び第２制御信号は加算部７６に入力される。
【００５６】
加算部７６は、第１制御信号と第２制御信号を加算し、その結果を調節部８０に出力する。調節部８０は、加算部７６からの入力信号に基づいて、例えば、ガス導入部１４から収容部１２に導入される第２ガスの導入量を調節し、栽培部５０の内部空間５２における二酸化炭素の濃度及び相対湿度を調節する。第２ガスの導入量の調節は、流量調節バルブを用いて行ってもよいし、加熱部３０の上流側又はガス導入部１４付近に設けられるブロアの風量を調節することによって行ってもよい。
【００５７】
植物栽培システム２００に、図６に示すような、第１制御部７２によるフィードフォワード制御と、第２制御部７４によるフィードバック制御を組み合わせて行うことによって、植物の活発な光合成を継続して行うことが可能となり、植物の育成を一層促進することができる。なお、植物栽培システム２００に適用される制御は図６のような形態に限定されず、例えば、第１制御部７２によるフィードフォワード制御のみを行うものであってもよいし、第２制御部７４によるフィードバック制御のみを行うものであってもよい。また、二酸化炭素及び相対湿度の両方を測定せずにどちらか一方のみを測定して同様の制御を行ってもよい。
【００５８】
第１制御部７２、第２制御部７４及び加算部７６は、それぞれ別々のハードウェアとして構成されていてもよいし、共通のハードウェアによって機能するように構成されていてもよい。第１制御部７２、第２制御部７４及び加算部７６は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）及び入出力インターフェイスなどを備えていてもよい。
【００５９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、ガス供給装置１００のガス導入部１４は１つであったが、第１ガス用と第２ガス用を別々にしてガス導入部１４を２つに分けてもよい。また例えば、ガス供給装置１００のガス排出部は２つであったが、第３ガスの排出と第４ガスの排出を共用にしてガス排出部を１つにしてもよい。この場合、収容部１２に接続されるガス排出部の下流側において、第３ガスと第４ガスの流路が別々になるように配管を分岐すればよい。また、収容部にカートリッジを装着することは必須ではなく、例えば、収容部自体を取り換え可能な構造としてもよい。
【００６０】
ガス供給装置は、吸収モード及び放出モード以外の運転モードを有していてもよい。例えば、曇天の時など光合成が活発ではない場合に、放出モードを連続的に行わずに、収容部への第２ガスの導入を停止することによって、栽培部への第３ガスの供給を停止する停止モードを行ってもよい。また、吸収モードと放出モードの間に、材料に水を吸収させる加水モードを行ってもよい。この場合、水は調湿部４０から供給してもよい。
【００６１】
放出モードの場合に、材料１０に貯留されている二酸化炭素の残存量が減少し、第３ガスの二酸化炭素の濃度が低下した場合、或いは、栽培部５０への二酸化炭素の供給量を増やすこと、又は栽培部５０の内部空間５２の温度を上げる必要がある場合には、加熱部３０で化石燃料を燃焼することによって生成した排ガスを、流路３４、ガス導入部１４及び収容部１２を経由して栽培部５０に導入する運転モード（燃焼モード）を行ってもよい。また、図６のような制御を行うことは必須ではなく、自動制御を行わずにマニュアルで操作してもよい。
【実施例】
【００６２】
実施例を参照して本発明の内容をより詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００６３】
（実施例１）
空気ガスボンベＧ１，Ｇ３、二酸化炭素ガスボンベＧ２、マスフローコントローラＦ１，Ｆ２、マスフローメータＭ１，Ｍ２、調湿部４０Ａ、恒温槽９０、反応器Ｒ１、温度計Ｔ１、湿度計Ｈ１、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）、ＣＯ２メータ、バルブＶ１〜Ｖ１０を、配管を介して接続し、図７に示すようなガス供給装置を作製した。
【００６４】
反応器Ｒ１には、二酸化炭素と水を吸収及び放出する材料を設置せずに、まずはブランク測定を行った。その後、当該材料を以下の手順で設置した。
【００６５】
市販の弱塩基性陰イオン交換樹脂（基質：アクリル系、商品名：ＷＡ１０、三菱ケミカル株式会社製）を、ＮａＯＨ水溶液（１Ｎ）に懸濁して３０分間攪拌した。懸濁液中の弱塩基性陰イオン交換樹脂の含有量は、３０質量％とした。懸濁液を桐山ロートでろ過した後、固形分を超純水で洗浄した。洗浄後、固形分を１０ｇ計り取ってガス流路となる溝が形成されたアクリル板（１０４ｍｍ×５００ｍｍ×１５ｍｍ）上にキャストし、弱塩基性陰イオン交換樹脂を所定のパターン形状に成形した。このアクリル板を、箱状のアクリル製の容器内に収容し、反応器Ｒ１とした。
【００６６】
図８にはキャスト前のアクリル板の写真を示し、図９及び図１０には、アクリル製の容器の蓋及び容器本体の写真をそれぞれ示した。
【００６７】
反応器Ｒ１を設置するとともに、以下のとおりバルブセットを行って、１０体積％の二酸化炭素を含有する加湿ガスＡを反応器Ｒ１内に流通させ、反応器Ｒ１内の弱塩基性陰イオン交換樹脂にＣＯ２を吸収させた。
開放バルブ：バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ１０
閉止バルブ：バルブＶ３，Ｖ５，Ｖ８，Ｖ９
【００６８】
加湿ガスＡを、８０ｍＬ／ｍｉｎの流量で反応器Ｒ１内を１００分間流通させて、弱塩基性陰イオン交換樹脂に二酸化炭素を吸収させた。その後、バルブＶ１，Ｖ２を閉止し、バルブＶ３を開放することによって、反応器Ｒ１に導入されるガスを空気の加湿ガスＢに切り替えた。加湿ガスＢを、８０ｍＬ／ｍｉｎの流量で反応器Ｒ１内を流通させながら、弱塩基性陰イオン交換樹脂から二酸化炭素及び水を放出させた。放出時間は任意とした。その後、同様にして、加湿ガスＡと加湿ガスＢの導入を交互に複数回繰り返して行った。恒温槽９０の温度は３０℃で一定とした。
【００６９】
ＣＯ２メータで測定されたＣＯ２濃度に基づいて、弱塩基性陰イオン交換樹脂１ｇあたりのＣＯ２吸収量と放出量を求めた。ここで、ＣＯ２濃度は、予め行ったブランク測定の結果を用いて補正し、ガス供給装置内のガス置換に所要する時間とガスの切り替えに伴う濃度変化の影響を排除した。
【００７０】
図１１は、実施例１の弱塩基性陰イオン交換樹脂１ｇあたりの二酸化炭素の吸収量と放出量の経時変化を示すグラフである。図１１の縦軸の正の値は二酸化炭素が放出されていることを示し、負の値は二酸化炭素が吸収されていること示す。図１２は、実施例１の二酸化炭素濃度と反応器Ｒ１の出口における相対湿度の経時変化を示すグラフである。図１１に示されるとおり、弱塩基性陰イオン交換樹脂は、二酸化炭素の吸収及び放出を繰り返し行っても性能低下が殆どないことが確認された。図１２に示されるとおり、反応器Ｒ１の出口における湿度は９０％以上に維持されていた。
【００７１】
（実施例２）
バルブＶ４，Ｖ６，Ｖ７を閉止してバルブＶ５，Ｖ８を開放して調湿部４０Ａを用いないようにしたこと以外は、実施例１と同様にして、弱塩基性陰イオン交換樹脂への二酸化炭素の吸収と、弱塩基性陰イオン交換樹脂からの二酸化炭素及び水の放出とを繰り返し行った。実施例１と同様にして、ＣＯ２メータで測定されたＣＯ２濃度に基づいて、弱塩基性陰イオン交換樹脂１ｇあたりのＣＯ２吸収量と放出量を求めた。
【００７２】
図１３は、実施例２の弱塩基性陰イオン交換樹脂１ｇあたりの二酸化炭素の吸収量と放出量の経時変化を示すグラフである。図１３の縦軸の正の値は二酸化炭素が放出されていることを示し、負の値は二酸化炭素が吸収されていること示す。図１４は、実施例２の二酸化炭素濃度と反応器Ｒ１の出口における相対湿度の経時変化を示すグラフである。図１３に示されるとおり、弱塩基性陰イオン交換樹脂は、二酸化炭素の吸収及び放出を繰り返し行うと、若干性能が低下することが確認された。図１４に示されるとおり、反応器Ｒ１の出口における湿度は二酸化炭素の吸収と放出の繰り返し回数が増えてくると、低下する傾向にあることが確認された。このことは、調湿部を用いない場合は、弱塩基性陰イオン交換樹脂に含まれる水分量が減少し、これが性能低下の要因となっていることを示している。
【００７３】
図１５は、実施例１，２における二酸化炭素の吸収量の積算値を示すグラフである。図１６は、実施例１，２における二酸化炭素の放散量の積算値を示すグラフである。これらの結果からも、調湿部を用いることによって、弱塩基性陰イオン交換樹脂の性能を長期間にわたって高水準で維持できることが確認された。ただし、実施例２の場合も、例えば弱塩基性陰イオン交換樹脂の交換頻度を高くすることによって、シンプルな装置構成で植物の生育環境に適したガスを供給することが可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本開示によれば、シンプルな装置構成で、植物の生育環境に適したガスを供給することが可能な植物栽培用のガス供給装置が提供される。また、上記ガス供給装置を備えることによって、植物の生育を促進しつつ、設備構成をシンプルにすることが可能な植物栽培システムが提供される。
【符号の説明】
【００７５】
１０…材料、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ…カートリッジ、１２…収容部、１４…ガス導入部、１６，１６ａ，１６ｂ…ガス排出部、１８…保持部、３０…加熱部、３２…バーナ、３４…流路、４０，４０Ａ…調湿部、５０…栽培部、５２…内部空間、５４…光量測定部、５６…二酸化炭素濃度測定部、５８…相対湿度測定部、６０…液体排出部、７２…第１制御部、７４…第２制御部、７６…加算部、８０…調節部、９０…恒温槽、１００…ガス供給装置、２００…植物栽培システム。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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