(57)【要約】少なくとも実質的に無日光環境で作物を栽培する装置を提供し、作物は少なくとも実質的に完全に調整される栽培空間（１０）において、栽培空間内に存在する人工光源の配列（３０）からの活性人工光に曝露される。栽培周期中、人工光源（３０）の出力が人工光源によって照射される作物（５０）の一部のエネルギー吸収に適合し、人工光源の配列の各々に近い作物は少なくとも実質的に一定及び少なくとも実質的に相互に等しい蒸気不足に曝される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作物を栽培する方法、特に少なくとも実質的に無日光環境で作物を栽培する方法であって、
前記作物を、少なくとも実質的に完全に調整される栽培空間内で、前記栽培空間内に存在する人工光源の配列からの光合成有効放射（ＰＡＲ）を特に含む活性人工光に曝露させ、
栽培周期中に前記人工光源の出力を前記人工光源によって照射される前記作物の一部のエネルギー吸収に適合させ、前記人工光源の配列の各々に近い前記作物を少なくとも実質的に一定及び少なくとも実質的に相互に等しい蒸気不足に曝すことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記栽培空間の大気に空気処理を施し、前記空気の温度を露点超に維持することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの人工光源の出力を前記人工光源の下に位置する前記作物の一部の蒸発及びエネルギー吸収に適合させることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの人工光源に制御可能な冷却を与え、前記制御可能な冷却の冷却能力を前記人工光源の前記出力と前記作物の前記エネルギー吸収との結果に適合させることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記制御可能な冷却が液体冷却を含み、前記液体冷却を、前記人工光源と熱交換接触している冷却媒体の強制循環によって実現することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
光源を、任意にグループごと及び／又は集合的に、取付具内に収容し、前記取付具には任意にグループごとに液体冷却を設け、前記冷却媒体は前記取付具の各々と熱交換接触させることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
制御可能な冷却が空気冷却を含み、前記空気冷却を、前記人工光源と熱交換接触する共通の少なくとも実質的に層流の空気流によって実現することを特徴とする、請求項１〜６にいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記光源を、任意にグループごと及び／又は集合的に、取付具内に収容し、前記少なくとも実質的に層流の空気流を前記取付具上及び前記取付具に沿って誘導することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
取付具から取付具まで、取付具の下で少なくとも実質的に一定の蒸気不足を維持するために、前記取付具を前記少なくとも実質的に層流の空気流の流れ方向に制御された方法で冷却することを特徴とする、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
前記取付具の制御された冷却が、前記取付具に沿った空気冷却と、前記取付具に少なくとも実質的に直接熱力学接触する液体冷却媒体の強制循環を伴う液体冷却と、を含み、取付具から取付具まで、前記取付具の下で少なくとも実質的に一定の蒸気不足を維持するために、前記取付具と熱交換接触して前記液体冷却媒体の循環を制御することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記蒸気不足を空気１キログラム当たりの水約０．５〜６グラムのレベルに設定し、維持することを特徴とする、請求項９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記層流の空気流を前記作物上において１５〜１００ｃｍ／ｓの流速で誘導することを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
取付具から取付具まで、取付具下の周囲温度を上昇させ、前記栽培空間内で関連する温度勾配を維持するために、前記取付具を前記少なくとも実質的に層流の空気流の前記流れ方向に制御された方法で冷却することを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
特に少なくとも実質的に無日光環境で作物を生産する装置であって、
少なくとも実質的に層流の空気流に対する空気入口と空気出口との間に少なくとも実質的に完全に調整された栽培空間を含み、
前記層流の空気流を維持し及び所望であれば前記層流の空気流を処理する空気処理設備を備え、
１つ以上の人工光源を有する、前記栽培空間内に存在する取付具配列を備え、前記１つ以上の人工光源は、光合成有効放射（ＰＡＲ）を特に含む活性人工光を生成し、かつ前記作物に前記活性人工光を曝露させることが可能であり、かつ曝露させるように構成され、
前記取付具には制御可能な冷却手段が設けられており、前記制御可能な冷却手段を用いて前記人工光源の出力を栽培周期中に前記人工光源によって照射される前記作物の一部のエネルギー吸収に適合可能であり、前記取付具配列の各々に近い前記作物は、少なくとも実質的に一定の蒸気不足に曝されることを特徴とする、装置。
【請求項１５】
前記冷却手段が冷却媒体の制御された循環を含み、前記冷却媒体は少なくとも動作中に、前記取付具内の少なくとも１つの光源と熱交換接触することができることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
複数の隣接する取付具を任意にグループ分けして、前記取付具には個別の制御可能な冷却及び前記個別の制御可能な冷却に適合される制御装置が設けられることを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
複数の隣接する取付具をグループ分けして、前記取付具には制御可能な冷却装置及び前記制御可能な冷却に適合される制御装置が設けられ、前記隣接する取付具は前記層流の空気流の流れ方向に対して横方向に配置されることを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記空気処理設備が冷却装置、特に冷電池を備え、前記冷却装置には結露コレクタが設けられることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記空気処理設備が動作中に約１５〜１００ｃｍ／ｓの空気速度で前記栽培空間内の層流の空気流を持続することが可能であり、かつ維持するように構成されることを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に少なくとも実質的に無日光環境で、作物を栽培する方法に関する。無日光環境において、作物は、少なくとも実質的に完全に調整された栽培空間において、栽培空間内に存在する人工光源の配列からの光合成有効放射（ＰＡＲ）を特に含む活性人工光に曝露される。
【０００２】
本発明はまた、特に少なくとも実質的に無日光環境で作物を生産する装置に関する。本装置は、少なくとも実質的に層流の空気流に対する空気入口と空気出口との間に少なくとも実質的に完全に調整された栽培空間を含み、前記層流の空気流を維持し及び所望であれば前記層流の空気流を処理する空気処理設備を備え、１つ以上の人工光源を有する、栽培空間内に存在する照明取付具配列を備え、１つ以上の人工光源は、光合成有効放射（ＰＡＲ）を特に含む活性人工光を生成し、かつ活性人工光に作物を曝露することが可能であり、かつ曝露するように構成される。
【背景技術】
【０００３】
このような方法及び装置は、例えば特許文献１から知られている。特許文献１には、調整された環境において、作物が大きく制御された栽培気候に曝される栽培環境が記載されている。空気条件に加えて、この気候はまた、光活性（ＰＡＲ）放射を有する適合光スペクトルへの曝露を含む。
【０００４】
現在頻繁に適用されている照明取付具は、ＬＥＤ照明を使用して光スペクトルを提供している。ＬＥＤ照明の照明効率は従来の及び伝統的なガス放電ランプよりも何倍も優れているが、このようなＬＥＤ取付具は依然として光活性（ＰＡＲ）放射に加えてかなりの量の熱が発生する。この熱は栽培空間を通って誘導される空気流によって部分的に取り込まれるが、下流側では空間温度が必然的に多かれ少なかれ徐々に上昇するという事実に変わりはない。これにより相対空気湿度が低下し、作物はより多く乾燥することが可能となる。この空間温度の上昇は局所的に作物の発達（生育）をより早めることにはなるが、それ自体が望ましくなく、固形構成物質の含有量が所望のレベルを下回ることになり、栽培領域を過度に拡大するときに栽培領域全体の均一性を保証することができなくなるためである。
【０００５】
加えて従来の無日光栽培における作物の光合成にも、栽培空間又は栽培部屋の最大効率に限界がある。なぜなら光合成は供給されるＰＡＲ光に依存するだけでなく、作物による二酸化炭素の吸収にも依存するからである。しかし周囲空気中の二酸化炭素の向上には限界があり、１５００〜２０００ｐｐｍオーダーのレベルである。このレベルを超えると、高い二酸化炭素濃度によって作物の発達に悪影響を与える。したがって作物への光合成の促進に所望される二酸化炭素供給量を増加させるには、常にこの上限値以下で新鮮な二酸化炭素を供給する、作物上の空気流が必要である。
【０００６】
しかし二酸化炭素を吸収するためには葉の気孔が開いていなければならず、これはまたより多くの蒸発をもたらし、これにより水分の損失（脱水）をもたらす。この影響は作物上の空気速度が大きくなるにつれてより強くなる。最終的に作物はこれにより「焦げる」ことになり得るが、もちろんこれは避けなければならない。これにより従来の栽培環境では、作物上の最大空気速度に大きな制限を課し、これによってこれまで無日光で完全に調整された作物栽培のために行われてきた取り組みを実際に実現できる最大規模サイズに大きな制限を課す。
【０００７】
既知の屋内農業プロジェクトでは、空気流を再循環させる場合に大規模な除湿設備が更に頻繁に適用され、空気が栽培空間に戻るように誘導される前に空気から余分な水蒸気を抽出する。これは相当量の余分なエネルギーを必要とし、その結果、栽培環境の生産量増加の可能性価値を大きく又は完全に相殺することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第９，３５７，７１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、とりわけ、本工程の更なる規模拡大に対するこれらの制限及び他の制限を少なくともかなりの程度まで除去する、作物の調整された栽培方法及び装置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】
【００１０】
上記の目的を達成するために、前提部に記載されたタイプの方法は、栽培周期中に人工光源の出力を人工光源によって照射される作物の一部のエネルギー吸収に適合させ、人工光源の配列の各々に近い作物を少なくとも実質的に一定の蒸気不足に曝すという本発明による構成を有する。本発明の範囲内におけるここでの目標は、栽培環境全体で蒸気不足を平均値（ｇ／ｋｇで表される）の５％以内、好ましくは２．５％以内の一定に保つことである。
【００１１】
前提部に記載されたタイプの装置は、取付具には制御可能な冷却手段が設けられており、制御可能な冷却手段を用いて人工光源の出力を栽培周期中に人工光源によって照射される作物の一部のエネルギー吸収に適合可能であり、取付具配列の各々に近い作物を少なくとも実質的に一定及び少なくとも実質的に相互に等しい蒸気不足に曝すという構成を有する。本明細書において、蒸気不足が栽培環境全体で平均値（ｇ／ｋｇで表される）の５％未満、好ましくは２．５％未満で変化するとき、蒸気不足は少なくとも実質的に一定であり、少なくとも実質的に相互に等しいと考えられる。
【００１２】
本明細書において前記湿潤不足は、大気中の水蒸気の実際の蒸気分圧と実勢空間温度における最大蒸気分圧との差、すなわち空気中の実際の水蒸気含有量と空気中の飽和時の最大水蒸気含有量との差（ｇ／ｋｇで表される）を意味するものと理解される。これは、実勢温度で周囲空気が依然として吸収できる水（蒸気）量の尺度である。これは本質的に実勢温度で作物が曝される水分不足である。ここで、本発明によって制御される蒸気不足は、実勢周囲温度における最大水分含有量に対する空気の実際の水分含有量の割合として定義される相対空気湿度と混同するべきではないことに留意されたい。本発明によれば、空間内の蒸気不足はどこでも実質的に一定に保持されるが、空間内の空気湿度については少なくとも同じことを適用する必要はない。
【００１３】
気孔空洞及び大気間の酸素、二酸化炭素及び水蒸気の交換の程度は、植物の葉の気孔（細孔）の位置によって自然に調節される。大気が多量の水蒸気を吸収することができるとき、脱水又は火傷さえも出来る限り防ぐために、気孔は部分的に又は全体的に閉じる。大気の「吸引能力」は、空気の流速と蒸気不足の組み合わせで決まる。本発明によれば、いわば大気によって作物に及ぼされる吸引作用は、栽培空間全体又は目的のために意図される栽培空間の一部において許容限度内で一定に保持される。これにより作物の発達を更に有意に制御し、とりわけ栽培空間の最大規模サイズを大幅に増大可能となる。
【００１４】
本発明はここでは、前提部に記載されたタイプの方法及び栽培環境の更なる規模拡大は、漸進的な温度上昇だけでなく、少なくとも作物からの蒸発によっても制限されるという洞察に基づいている。作物の光形態形成バランスは、最終的には二酸化炭素吸収の程度によって及び気孔の開きの大小に関連する蒸発によって制限される。その結果、作物の光合成が最終的に生育速度に追い付かなくなり望ましくない品質の低下となるか、又は蒸発による水分損失が非常に大きいため作物が脱水して極端な場合には火傷さえする。
【００１５】
しかし本発明によれば、栽培空間内の蒸気不足は制御されているので、作物における蒸発はどこでも大きく制御され、これは脱水による損傷を受けることなくより高い光合成レベルに達し得るのに十分な程度であることが見出された。その結果、技術的要因に限定されるが、栽培環境の更なる寸法決定及び規模拡大の可能性が大きくなり、これによって装置及び建設工事への必要な投資をより大きな収量で相殺することができる。これは屋内農業とも呼ばれるこの形態の園芸の経済的効率を大幅に向上させる結果となる。
【００１６】
伝統的なＬＥＤベースの照明取付具からの発熱は避けられないため、前提部に記載されているような従来の屋内農業プロジェクトでは、栽培空間内の空間温度を許容限度内に保持するために高い冷却能力を持つ冷却設備が必要とされる。この目的に対して、空気流は通常栽培空間を通って照明取付具上を誘導され、取付具からの熱を吸収して栽培空間外に放出できるようになっている。ここで空気は通常冷電池と呼ばれる熱交換器を通って運ばれ、空気温度を所望のレベルまで低下させる。
【００１７】
しかしこのような方法の欠点は、実際には利用可能な空間を考慮して、通常この目的に対して冷電池が適用されることであり、空気流により熱交換表面上で空気温度が低下するだけでなく、結露による除湿ももたらすということである。しかしこのような強い除湿は高い蒸気不足をもたらし、これによって気孔が閉じ、二酸化炭素の吸収、ひいては光合成のレベルが低下するので、結露による除湿は実際には必ずしも望ましいとは限らない。過度の除湿により貴重な水が再利用できない場合には更に失われるが、これには比較的大量の冷却エネルギーが必要であり、更に気流を栽培空間に戻す前に空気を再加湿するためのエネルギーが必要である。
【００１８】
したがって本発明による方法の好ましい実施形態は、栽培空間の大気を、大気温度を露点より高く維持する空気処理を行うという構成を有する。このように冷却による望ましくない水分損失を防止し、これによって栽培空間内の意図される均一な蒸気不足を維持するために空気の再加湿を必要としないか、又は少なくともかなり少ない程度である。本発明による装置の特定の実施形態は、空気処理設備が冷却装置、特に冷電池を備え、冷却装置には結露コレクタが設けられるという構成を有する。この場合でも、水分が循環空気から依然として抽出されるとき、結露した水分はこのように再利用され、水分の損失を回避可能である。過度に高い空気湿度を強制結露によって所望のレベルまで低下させることができる。
【００１９】
作物は葉系の発達の間に蒸発の程度を増大させることができるので、大気中の水分含有量は通常、作物がより多くの葉を発達させるにつれて増加する。蒸発の物理的過程に同時に必要なのは、作物によって環境から抽出される熱である。両方の効果が一緒になって局所的に空気湿度を上昇させ、作物の湿潤不足が減少する結果となる。
【００２０】
それにもかかわらず、蒸気不足を所望の一定の及び少なくとも実質的に相互に等しいレベルに維持するために、本発明による方法の更なる好ましい実施形態は、少なくとも１つの人工光源の出力を人工光源によって照射される作物の一部の蒸発及びエネルギー吸収に適合させるという構成を有する。作物が有する葉がより少ないことによって吸収及び蒸発面積がより小さいとき、人工光源の出力は例えば周囲温度が許容できないほど上昇しないように低減され、一方、より多量の葉系の場合及び同様に作物の吸収及び蒸発面積がより大きい場合には、これによって環境から抽出される蒸発エネルギーを人工光源から補充することができる。いずれにしても、照明と葉の蒸発の正味の熱力学的熱バランスを適合させ、このように蒸気不足を所望のレベルに維持させることができる。
【００２１】
このことを考慮して、本発明による方法の更なる好ましい実施形態は、少なくとも１つの人工光源には制御可能な冷却が設けられ、制御可能な冷却の冷却能力は人工光源の出力と作物のエネルギー吸収との結果に適合するという構成を有する。ここでのこのような冷却は、発芽又は伐採から収穫までの全栽培周期中、環境への人工光源の最終的な熱放散を、人工光源の下に存在する作物の熱及び水蒸気バランスに正確に適合させるオプションを提供する。
【００２２】
本発明による方法の更なる好ましい実施形態は、この点において、取付具から取付具まで、取付具下の周囲温度を上昇させ、栽培空間内で関連する温度勾配を維持するために、取付具を少なくとも実質的に層流の空気流の流れ方向に制御された方法で冷却するという構成を有する。空気中の水蒸気の実際の含有量は蒸発により下流で増加するが、課されるより高い温度では空気中の水蒸気の最大含有量が比例して増加し、これによって栽培空間内への空気入口から栽培空間外への空気出口における経路において、蒸気不足はそれにもかかわらず実質的に一定のままである。
【００２３】
本発明による方法の特定の実施形態及び装置の特定の実施形態の各々は、ここでは制御可能な冷却が液体冷却を含み、液体冷却は、人工光源と熱交換接触している液体冷却媒体の強制循環によって実現されるという構成を有する。本発明による装置の更なる実施形態では、この目的に対して、冷却手段が冷却媒体の制御された循環を含み、この冷却媒体は少なくとも動作中に、取付具内の少なくとも１つの光源と熱交換接触に入ることができるという構成を有する。本発明による装置の好ましい実施形態は、ここでは複数の隣接する取付具を任意にグループ分けして、取付具には個別の制御可能な冷却及び個別の制御可能な冷却に適合する制御装置が設けられるという構成を有する。
【００２４】
このような能動液体冷却は非常に強力であり、これによって取付具からの最終的な熱発生は、許容可能な、更には所望のレベルにさえ制限される。このように循環気流を入力条件に戻すのに必要な栽培空間外の可能冷却能力は制限されたままであり得る。これは、ここで意図され構成される空気処理設備の内部では、空気と相互作用する全ての接触面の温度が多くの場合空気の露点を下回ることはなく、これによって結露による空気の望ましくない除湿を防止することができるという重要な利点を有する。強制液体冷却に適用される冷却媒体は、比較的温かい取付具と直接熱力学的接触に入り、これによって非常に効率的で有効な熱放出がそこから出る。
【００２５】
設備の効率を考慮して、費用及び占有空間の両方の観点から、本発明による方法及び装置の更なる特定の実施形態は、光源が任意にグループごと及び／又は集合的に取付具内に収容され、取付具には各々任意にグループごとに液体冷却が設けられ、冷却媒体は取付具の各々と個々に熱交換接触するという構成を有する。これにより光源の集合収容とその液体冷却の目的に対して液体を運ぶ冷却導管とを光源グループで共有することができる。本発明による装置の更なる実施形態は、この点において、複数の隣接する取付具をグループ分けして、取付具には制御可能な冷却及び制御可能な冷却に適合する制御装置が設けられ、隣接する取付具は層流の空気流の流れ方向に対して横方向に置かれるという構成を有する。
【００２６】
本発明による方法の更なる特定の実施形態は、制御可能な冷却が空気冷却を含み、この空気冷却は、人工光源と熱交換接触する共通の少なくとも実質的に層流の空気流によって実現されるという構成を有する。循環液体冷却媒体による液体冷却に加えて又はその代わりに、この実施形態は、層流の空気流、特に作物上にも誘導される同じ層流の空気流によって空気冷却する。追加で冷却することに加えて、これはまたこの空気流と熱交換接触し、これにより空気流内の蒸気不足を一定に保つ。
【００２７】
実用的な実施形態を考慮して、本発明による方法の更なる好ましい実施形態は、光源が任意にグループごと及び／又は集合的に取付具内に収容され、少なくとも実質的に層流の空気流を取付具上及び取付具に沿って誘導するという構成を有し、更なる実施形態の方法は、取付具から取付具まで、取付具の下で少なくとも実質的に一定の蒸気不足を維持するために、取付具を少なくとも実質的に層流の空気流の流れ方向に制御された方法で冷却することを特徴としている。したがって、取付具と周囲領域との間の熱交換を完全に制御することができる。
【００２８】
十分な冷却能力を考慮して、本方法の更なる実施形態は、取付具の制御された冷却が、取付具に沿った空気冷却と、取付具に少なくとも実質的に直接熱力学的接触する液体冷却媒体の強制循環を伴う液体冷却と、を含み、取付具から取付具まで、取付具の下で少なくとも実質的に一定の蒸気不足を維持するために、取付具と熱交換接触して液体冷却媒体循環を制御するという構成を有する。
【００２９】
別の方法として、取付具の任意の混合冷却だけでなく、光源をより低い電力又はより高い電力で動作させることによって取付具の発熱を調節及び適合させることもできることに留意されたい。このように本発明の範囲内で調光可能な光源を個々に又はグループごとに有利に使用し、電力供給及びその消費量を調節可能である。このように特に作物発達の初期段階では、光源を比較的低い電力で動作させ、十分なＰＡＲ放射を供給して最適な光合成を保証することができる。
【００３０】
健康で最適な作物発達に対して、本発明による方法の更なる特定の実施形態は、蒸気不足が空気１キログラム当たりの水約０．５〜６グラムのレベルに設定されて維持されるという構成を有する。作物のすぐ近傍のこのような蒸気不足により、作物発達の高速化並びに光合成によって乾燥物質を生成する可能性を提供することが見出された。これにより、これまでにない収率及び品質が可能になる。
【００３１】
これに寄与するのは、結果として蒸気不足に悪影響を与えることなく、作物に沿った及び作物を通る空気流を自由に増加させることが可能なことである。本発明による方法の更なる好ましい実施形態は、この点において、層流の空気流を作物上及び／又は作物を通って、１５ｃｍ／ｓ〜１００ｃｍ／ｓの流速で誘導するという構成を有する。本発明による装置の特定の実施形態は、この目的に対して、空気処理設備が動作中に栽培空間内の層流の空気流を１５〜１００ｃｍ／ｓの空気速度で持続することが可能であり、かつそのように構成されるという構成を有する。
【００３２】
二酸化炭素と酸素の良好な交換に対して、十分に高い二酸化炭素含有量（例えば１５００〜２０００ｐｐｍのオーダー）と約１５〜１００ｃｍ／ｓの速度の空気流とを組み合わせて気孔を開かなければならない。気孔の（部分的）閉鎖を防ぎ、空気のこのような流速での水分の損失を防ぐために、蒸気不足は十分に低くなければならない。従来の栽培環境以外では、本発明によれば、このような高い空気速度であっても、蒸気不足を約０．５〜６．０ｇ／ｋｇに正確に制御し、特に維持可能である。また、空気速度をより高くすることで空気入口と空気出口の温度差及び蒸気不足の差が小さくなり、これによって屋内農場の最大規模サイズが大きくなり、経済的実現可能性が増大するという利点がある。
【００３３】
このような強制空気流は、作物による水の蒸発によって冷却するだけでなく、作物の光合成に必要不可欠な一定量の二酸化炭素を任意に補充した新鮮な再循環空気も供給する。本発明により、この二酸化炭素交換をより高いレベルまで高めることができ、これによって生産量を増加及び／又は栽培周期を短縮することができる。これは、しばしば屋内農業と呼ばれる、前提部に記載されたタイプの方法の経済的効率性及び経済的実現可能性に更に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による装置の例示的な実施形態の設置及び構造の概略側面図である。
【図２】従来の栽培装置内の層流の空気流の下流側の温度及び水分の変動を、概略的に及び単に例示として示す。
【図３】図１の栽培装置内の層流の空気流の下流側の温度及び水分の変動を、概略的に及び単に例示として示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
例示的な実施形態及び添付の図面に基づいて、本発明を以下で更に説明する。
【００３６】
図は単に概略的なものであり、縮尺通りに描かれていないことに留意されたい。特にいくつかの寸法及び構成要素は、明確にするために多少誇張されている場合がある。対応する部分は、一般的に同じ符号を付している。
【００３７】
図１には、屋内農業とも呼ばれる、無日光作物生産の栽培装置の構造を概略的に示している。これには、通常気候室又は気候部屋とも呼ばれる、少なくとも実質的に完全に調整された栽培空間１０が含まれ、栽培空間１０内では空間的気候が正確に監視され、所望であれば特定の限度内で一定に保持することができる。ここで要因となる気候パラメータは、空間温度に加えて、二酸化炭素濃度及び空間空気湿度である。これらのパラメータは目的に対して設けられるセンサを用いて１つ以上の測定点で記録されるが、所望に応じて栽培空間内の場所ごとに異なるものとすることができる。
【００３８】
この空間空気湿度は、まず第１に及び最初に、栽培空間を通って誘導される強制空気流２０の結果である。この空気流は、任意に空間１０外で処理した後、入口プレナム１５を介して受け入れられ、少なくとも実質的に全体的に層流の空気流として栽培空間１０を通って進み、戻りプレナム２５を介して栽培空間を出る。前記空気処理は標準的に、空気を冷却し、所望の相対空気湿度に加湿又は除湿することを含む。
【００３９】
栽培空間１０には、ＬＥＤ取付具配列形状の人工光源の配列３０が存在する。これらは光合成有効放射（ＰＡＲ）を放出し、これは作物５０の光合成、ひいては発達に必須であるが、これはまた空間に熱を放散する。熱の一部は空気流２０と交換されるが、これはまた、栽培空間１０内の温度が徐々に局所的に上昇する結果となる。この温度上昇は常に、照明３０によって放出される熱と、葉を介した蒸発、成長及び光合成の目的で作物に吸収されるエネルギーと、取付具の液体冷却によって放出される熱と、の局部的な正味のバランスである。
【００４０】
図２に温度変動を曲線Ａの形で概略的に示す。作物の発達過程及びこれによる葉系の発達過程では、蒸発成分が（強く）増大し、これによって曲線Ａはそれほど急激には上昇しなくなる。作物５０の葉によって放出される水蒸気（水分）の量は、ブロック図の形で図２に簡略化して示している。着色ブロックはここでは、作物５０の連続する部分の位置において、それぞれの取付具３０の下の空気流２０の流れ方向に、作物から水分が放出されることを示す。空のブロックは、局部的な蒸気不足を概略的に示している。これは、空気中の水蒸気の実際の割合と、所与の温度、すなわち相対空気湿度１００％における飽和レベルＥｖとの差である。
【００４１】
図２から明らかなように、従来の栽培空間では、取付具の出力によって温度が強く上昇して、これによって飽和レベルＥｖが上昇し、これにより作物に影響を与える蒸気圧不足が増大する。この結果より強い蒸発が発生し、これは図では暗いハッチングを有するブロックで象徴されている。各位置における相対空気湿度ＲＶの値も棒グラフの形で例示として概略的に示している。
【００４２】
しかし本発明によれば、取付具３０の下の蒸気圧不足は、一定に、少なくとも狭い範囲内で実質的に相互に等しいように制御され、保たれる。この目的に対して、取付具３０には制御可能な能動冷却手段３５が設けられている。この例では、これは水のような適当な冷却媒体との調節された循環による強制冷却を必要とし、この冷却媒体は導管系の金属導管が取付具３０の金属ハウジングの金属と物理的に接触することにより、導管系を介して取付具３０と実質的に直接熱交換接触する。更に光源を調光可能とすることによって、ＰＡＲ発光を光源の下の作物の一部の実際の発達状態に最適に適合させることができる。ＰＡＲ発光を調光することにより、光源が同様に生成する出力（熱）はより小さくなり、その結果いくつかの条件によっては必要な強制的液体冷却が少なくなり又はなくなる。
【００４３】
全体的に、栽培周期全体（すなわち、発芽、実生又は伐採から収穫まで）の間、人工光源の出力は人工光源の下の作物の一部のエネルギー吸収に対して連続的に調節可能であり、その結果、作物は取付具配列の各々の下で、少なくとも実質的に一定及び少なくとも実質的に相互に等しい蒸気不足に曝される。これは実際に取付具の液体冷却によって栽培空間内の温度があまり急速に上昇しないことを意味しており、これは図２に曲線Ｂで示している。
【００４４】
より具体的には、栽培空間内に特定の温度勾配を実現し、課し、維持することによって、蒸気不足をＸ方向で正確に制御することができ、図３に示すように場所ごとに（任意に特定の領域内で）一定に及び少なくとも実質的に相互に等しく保つことができる。各位置における相対空気湿度ＲＶの値もここでは例示として棒グラフの形で概略的に示している。この値は、その位置における最大水分含有量Ｅｖに対する各位置の空気の実際の水分含有量の商から計算される。本発明によれば、蒸気不足はどこでも少なくとも実質的に等しく保持されているが、同じことを少なくとも相対空気湿度には適用する必要がなく、したがって実際には図には当てはまらないことがここから直ちに明らかであろう。逆に、相対空気湿度ＲＶは徐々に上昇する。
【００４５】
一定の層流の空気流（速度）と実質的に一定の空気中の蒸気不足との組み合わせにより、作物は栽培空間内のあらゆる場所で実質的に一定の水蒸気バランスとなり、かつ栽培空間内のあらゆる場所で同様に一定になるように、作物自体の蒸発を水蒸気バランスに適合する。所望であれば、空気流２０の流れ方向Ｘに対する横方向の取付具の冷却を、全ての取付具について集合的に又はいくつかの取付具についてグループごとに行うこともでき、これは設置工学の観点から利点を提供する。
【００４６】
取付具のハイブリッド冷却、すなわち空気流２０による冷却だけでなく強制冷却３５による冷却の更なる利点は、出ていく空気流の空気湿度及び気温の上昇がより小さいことである。これにより栽培空間外の空気処理を限定したままにすることができる。冷却設備は冷却面を有利に適用し、所望であれば空気の露点以上の温度を維持し、結露による望ましくない除湿を防ぐことができる。
【００４７】
本発明による栽培環境の温度（上昇）及び蒸気不足の両方の制御は、比較的小さい温度差で、特に露点超の冷却面で栽培環境外を冷却することを可能にする。光源によって生成される熱の大部分は強制液冷によって直接放散することができ、したがって空気処理設備によって除去する必要はない。ここで冷却媒体と取付具の温度差が比較的大きいため、非常に効率的で効果的な熱伝達が可能である。しかしながら空気処理の冷却設備を露点未満にすることによって、所望であれば過剰な水蒸気を結露によって捕捉することができる。この場合水蒸気は、空気が所望の初期温度で栽培環境に戻される前に、結露によって空気から抽出される。この場合結露水は有利に回収され、所望であればフィードバックされ又は他の方法で有用に（再）使用される。
【００４８】
本発明によれば、栽培空間内の蒸気不足は管理され、どこでも少なくとも実質的に同じに保たれる。そのため本発明は、他の方法では作物発達に悪影響を及ぼす可能性のある、作物が許容できないほど大きな蒸発を引き起こすことなく、栽培空間内で空気速度をより高くすることを可能にする。図示の装置では、空気流が特に１５〜１００ｃｍ／ｓの速度で栽培空間を通って誘導され、これによって作物の二酸化炭素の交換は、最大空気速度がより低いレベルに制限される従来の栽培空間よりもかなり大きくなる。その結果光合成のレベルが高くなり、作物発達がより強く、より急速になる。これにより、作物中の乾燥物質及び他の有用成分及び構成物質の割合が同じであれば、収穫をより早く行うことができる。これが栽培環境の経済的効率を向上させることは明らかであろう。
【００４９】
本発明を単一の例示的な実施形態のみに基づいて上記で更に説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは明らかであろう。それどころか、当業者には本発明の範囲内で多くの変形及び実施形態が依然として可能である。本発明は、完全に又は実質的に完全に無日光環境で適用されるだけでなく、特に作物が例えばガラス下で日光に曝されて栽培されるときでも、上記の利点を維持しながら適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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