(57)【要約】【課題】  本発明は植物工場運転における種々のランニングコストの低減を目的としている。【解決手段】  本発明の水耕栽培装置１００は、栽培槽に閉鎖チャンバーを取り付けて雰囲気体積を小さくすることにより、少ないエネルギーで環境制御ができ、さらに雰囲気中の二酸化炭素濃度を最適に制御できる構造にした。また、植物が必要とする太陽光の量を無段階遮光ネットにより最低限保ち、栽培養液と雰囲気の温度上昇を抑制する構造にした。そして、養液と雰囲気の温度を所望の値に保つために、大量生産されている低コストの熱交換器を採用した。さらに、チャンバー内に微風を吹かせて、均一な栽培環境を維持できる構造にした。浅水式栽培槽を採用して、槽に保持される養液量を少なくし、収穫後に廃棄される養液の量を削減した。植物の生長を促進するために栽培養液と雰囲気の温度をそれぞれ独立に制御できる構造にした。 【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビニルハウスの中に設置した閉鎖空間栽培槽としてチャンバー式を特徴とする栽培槽装置。
【請求項２】
栽培槽は無段階遮光ネットを利用することによる熱負荷の低減を特徴とする請求項１に記載の栽培槽装置。
【請求項３】
前記水耕栽培槽の根域温度制御用熱交換器（水−水）は大量生産低コストの（空気−水）熱交換器使う事を特徴とする請求項１または２に記載の栽培槽装置。
【請求項４】
前記栽培槽の閉鎖チャンバーに少量の二酸化炭素を付与することで二酸化炭素の濃度が高い状態を保つことができる事を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の栽培槽装置。
【請求項５】
前記水耕栽培槽は葉物を育てる場合、栽培液槽が浅水式であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の葉物栽培槽装置。
【請求項６】
ファンを使って前記栽培槽の閉鎖チャンバー内に微風循環を起こす事を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の栽培槽装置。
【請求項７】
（空気−水）熱交換器を使って前記栽培槽の閉鎖チャンバー内空気に熱（冷熱或いは温熱）供給する事を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の栽培槽装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は植物工場等に、植物育成用として設けられる閉鎖空間を持つ高度化太陽光利用水耕栽培槽に関する。
【背景技術】
【０００２】
植物工場とは内部環境をコントロールした閉鎖空間または半閉鎖空間で植物を計画的に生産するシステムを指す。一般に、閉鎖型と半閉鎖型の線引きは太陽光を利用せず人工光のみで植物の栽培を行うものと、太陽光を利用するもの（ただし、人工光を補助光源として利用することもある）とで線引きされている。一般に、人工光のみを利用する閉鎖型植物工場は、植物の生産能力は高いものの、エネルギーコストをはじめとするランニングコストが大きく、日本国内では採算が取れる例はない。
【０００３】
半閉鎖型、または太陽光利用型の植物工場については、国内でも採算の取れる運営者が存在している。このような植物工場の現状を受けた展望として、一方はランニングコストの大きさを受け入れたうえで、高付加価値の商品を生み出す手段として位置づける動きがある。その一方で、植物工場運営にあたってのランニングコストを低減するための工夫もなされている。ランニングコストは、イニシャルコストとは異なり償却が効かないため、ランニングコストが大きいほど植物工場の生産品目は制限を受ける。したがって、植物工場運営におけるランニングコストの低減は、植物工場ビジネスに関わるうえで避けては通れない課題と言える。
【０００４】
水耕栽培式の植物工場におけるランニングコストの例としては、栽培養液の温度制御、栽培雰囲気へのCO2付与、栽培液に投入する肥料代をはじめとして、植物の生育の均一性を保つための微風の付与、栽培雰囲気の温度調節など、植物の生育環境を整えるためのエネルギーその他が挙げられる。また、日本国内においては、植物工場の運転に従事する人材の人件費も決して無視することはできない。このため、上記のエネルギー等コストの低減を図るとともに、人件費の低減、すなわち運転の自動化を見据えた植物栽培システム全体の最適化が植物工場ビジネスに携わるうえでの大きな課題である。そのひとつの例としては、２階を太陽光利用型、１階を人工光利用型にする案が提案されているが、根本的な解決とは言い難い（特許文献１）。
【０００５】
従来型の太陽光利用水耕栽培槽装置では、培養液を入れた上面開口の大型栽培槽を太陽光の下に設置し、該栽培槽の培養液に、植物を植えたパネルの多数枚を浮かべると共に、植物の根を培養液に浸して養分を吸収させる水耕栽培槽において、夏期等に強い日射しから植物を保護する手段として、上記栽培槽の開口上面に支持枠を組み、該支持枠上に寒冷紗等の遮光シートを張設した方式を採り、又、養液の循環などにより筐体内の養液温度環境を保つ対策が取られている。しかしながら、太陽光に晒された筐体内培養液の温度管理に要するエネルギー量は大きい。
【０００６】
従来型の太陽光式水耕栽培装置は葉物野菜を植えた栽培槽に大量の栽培養液が用いられるため、野菜を収穫した後、廃棄しなければならない栽培液の量が大きい。これにより、栽培養液を作るための肥料の量が大きくなる。
【０００７】
従来型の太陽光利用水耕栽培装置では、ハウス内に風を吹かせることにより植物の栽培環境の均一化を図っているが、ハウスに風を吹かせただけでは、栽培環境の均一化は実現されていない。
【０００８】
また、従来型の太陽光利用水耕栽培装置では、栽培環境にかかる要因を制御する際に、大きな空間の制御をおこなわなければならず、このために、熱・二酸化炭素濃度、また風を吹かせるにあたっても大きなエネルギーを必要とするため、前述の要素が植物の生育を促進することが公知であるにも関わらず、しばしばこれらの要素のいくつかは成り行き任せになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−５８３６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の通り、植物工場の運転におけるランニングコストの低減が課題である。より詳細には、第一に、栽培液の温度管理を低コストで実現することを課題とする。
【００１１】
第二に、植物の生育を促進する要因として、光合成の暗反応の材料である二酸化炭素の付与、目標値を1000ppmとして、これを低コストで実現することを課題とする。
【００１２】
第三に、栽培養液に投入する肥料の購入費用を低減すること、すなわち一度の栽培に用いる栽培液の量を削減することを課題とする。
【００１３】
上記３点の課題は、必要とされるエネルギー等を削減する方針のものである。これと同時に、単位面積当たりの収量を増やすためによいとされている栽培雰囲気の制御を妥当なエネルギーコストで実現することにより、対費用効果の向上によるランニングコストの相対的な低減を可能にすることも課題であるとする。
【００１４】
本発明の目的は、植物工場運転における種々のランニングコストの低減である。特に熱エネルギーの効率的運用に主眼を置きつつ、施設の単位時間、単位占有面積当たりの収量をランニングコストで割った値、すなわち対費用効果の向上を可能とする植物工場における利用を意図した栽培槽を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は上記課題を解決するために鋭意研究を行った結果、
１.栽培養液の温度上昇が太陽光の入射によるものである一方、植物が必要とする太陽光の最適値が決まっているため、無段階遮光ネットを用いることにより植物栽培環境に降り注ぐ光の量を必要最低限に保つことで栽培養液の温度上昇を抑えることができること。
２.通常、空気と水との熱交換に用いられる熱交換器を水と水の熱交換に用いてもよく、これにより、栽培養液の冷却が低コストで可能になること。
３.太陽光利用型の植物工場において、CO2の付与が難しい原因は、ハウスの体積に対応するCO2を準備しなければならないためであるが、言うまでもなく植物近傍でのみCO2濃度が高ければよいため、収穫時までの植物の生長を阻害しない程度に植物の栽培領域を何らかの手段で閉鎖すればよいこと。
４.栽培養液の節約、すなわち肥料の節約のためには、用いる栽培養液の量が少ない形式を取ればよく、これは浅水式を用いればよいこと。
５.均一な植物の生長を実現するために、微風を吹かせることで、植物を栽培する空間における生長に関与する要因、すなわち雰囲気温度や湿度を均一化できる。
６.植物の生長は栽培養液温度から大きくかけ離れてはならないが、栽培養液温度に対して約１０℃程度までならば高い方が生長が促進されること。
７.上記１．〜６．までを実現することは、植物の栽培空間をチャンバー形式にして閉鎖することにより容易に実現できること。
を発見することにより、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の通りである。
【００１６】
（１）はビニルハウスの中に設置した閉鎖空間栽培槽のチャンバー式を特徴とする栽培槽装置。（２）は栽培槽は無段階遮光ネットを利用することによる熱負荷の消減を特徴とする（１）に記載の栽培槽装置。（３）は、前記水耕栽培槽の根域温度制御要熱交換器（水−水）として大量生産低コストの（空気―水）熱交換器使う事を特徴とする前記（１）または（２）に記載の栽培槽装置。（４）は、前記栽培槽の閉鎖チャンバーに少量の二酸化炭素を付与することで二酸化炭素が高い状態を保つことができる事を特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の栽培槽装置。（５）は、前記水耕栽培槽で葉物を育てる際に、栽培液層は浅水式であることを特徴とする前記（１）〜（４）に記載の葉物栽培槽装置。
【００１７】
（６）は、ファンを使って前記栽培槽の閉鎖チャンバー内で微風循環を起こす事を特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載の栽培槽装置。（７）は、（空気―水）熱交換器を使って前記栽培槽の閉鎖チャンバー内空気に熱（冷熱或いは温熱）供給する事を特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載の栽培槽装置。
【発明の効果】
【００１８】
本研究は次のような効果を奏する。
【００１９】
本発明の栽培槽は、図５に示すように、無段階遮光ネットを取り付けることにより、太陽光の植物の栽培環境への入射量を必要最低限度に保持することにより、熱負荷の軽減が可能になる。
【００２０】
また、本発明の栽培槽は、図６に示すように、根域温度制御要熱交換器（水−水）として大量生産低コストのラジェター（空気―水）熱交換器使う事により栽培養液の温度制御を安価に実現することができる。
【００２１】
本発明の栽培槽は、図１と図５に示すように、ビニルハウスの中に設定した閉鎖空間栽培槽のチャンバーを利用する事により植物にとって光合成の促進要因として知られている二酸化炭素濃度の制御、主に高濃度化を、少量の二酸化炭素付与により実現可能になる。
【００２２】
また、栽培槽がチャンバー式であるため、栽培環境の二酸化炭素濃度が高くなっても、作業者がその毒性による危険にさらされることがない。
【００２３】
また、本発明の栽培槽は、さらには、図４に示すように、根域を流れる栽培液の温度制御を行うことより植物を栽培するものであり、この栽培液層の形態は浅水式を採用しており、収穫ごとに廃棄の栽培液量を減らす事及び栽培槽の滅菌・消毒が容易になる。
【００２４】
また、本発明の栽培槽は、さらには、図６に示すように、閉鎖空間に微風を吹かせることによりよどみを発生させることなく植物の栽培環境を保持でき、これにより栽培される植物の損傷を回避することができる。
【００２５】
また、本発明の栽培槽には、量産品である空気‐水の熱交換を行う熱交換器、すなわち自動車用ラジエター等を従来通りに使用し、これに熱媒（冷熱、温熱のいずれか）を流すことで閉鎖空間となった植物栽培領域の雰囲気温度を栽培養液に対して１０℃程度高めに保ち、この結果として植物の生長を低コストで促進できる。
【００２６】
また、本発明の栽培槽は、発泡スチロールからなっており、栽培パレットは水に浮かんでいる。これにより、栽培パレットを自動で移動させる機構を備えることにより、収穫作業の自動化が可能になる。
【００２７】
また、上記の機構を備えた場合、収穫作業をビニルハウス内部で行う必要がない為、のハウスの占有面積ほぼ全面を栽培面積とすることが可能になり、施設面積の単位面積当たりの収量を増やすことが可能になる。
【００２８】
また、直前の上記２項目の処方をとることにより、栽培領域（すなわちハウス内）における人間の作業性を考慮する必要がなく、これにより、栽培槽をほぼ地上に近い高さに設置することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の水耕栽培装置の概観とビニルハウスとの関係を示す図である。
【図２】本発明の水耕栽培装置の断面図である。
【図３】本発明の水耕栽培装置が備えている遮光機構の図である。
【図４】本発明の水耕栽培装置の栽培養液用温度制御機構の図である。
【図５】本発明の水耕栽培装置のCO2濃度制御機構の図である。
【図６】本発明の水耕栽培装置のチャンバー内雰囲気温度制御機構の図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の水耕栽培装置100は、図１に示すように太陽光を透過する透明なフィルムにより形成されるビニルハウス101の内側に水平に配置される。水耕栽培装置100は、植物の栽培を行う浅水式栽培槽102をビニルハウスの内部において閉鎖するためのチャンバー103を備えており、その外部には植物の生育環境に入射する太陽光の量を制限する遮光機構104を備えており、これらは主にランニングコストを低下させるための機構である。
【００３１】
本発明の水耕栽培装置100は、植物の生育を促進する機構も備えている。まず、栽培養液用の温度制御機構105により植物の栽培養液を適温に保つ。また、植物の光合成の材料となる二酸化炭素をチャンバー103が形成する閉鎖空間に付与するための機構106を備える。更に、チャンバー103内部に微風を吹かせながら、雰囲気温度を制御するための機構107を備えている。
【００３２】
本発明の水耕栽培装置の断面図を図２に示す。本発明の水耕栽培装置は、発泡スチロール等断熱材により形成される栽培槽102を備えており、発泡スチロールからの水漏れが生じないように、一枚もののフィルム201が敷き詰められている。栽培槽102には、栽培される葉物野菜202を発泡スチロールにより形成される栽培パレット203により固定することにより、栽培される葉物野菜202の根204が、栽培槽102の上面から側面にかけて貼られているフィルム201と栽培パレット203の間を流れる栽培養液205より養分並びに水分を吸い上げることができる。
【００３３】
栽培槽102は、地面206に足となる部材207により設置される。この部材207は、その高さを調節することが可能であり、これにより栽培槽102の水平な配置を実現する。
【００３４】
本発明のチャンバーを形成する骨組みの役割を果たす部材208ならびに209を、201〜205、並びに207を含む空間を覆うように配置する。この部材にアクリル板等透明な樹脂材料、またはガラス板などを張り付けることにより、葉物野菜202を栽培する空間（以後、閉鎖空間と称する）210を外部、すなわちビニルハウス101の内部211の内部より隔離する。
【００３５】
図３は、本発明の水耕栽培装置が備えている遮光機構103の説明図である。遮光機構103は、上面に張られている無段階遮光フィルム301により遮光を行う。無段階遮光フィルム301は、張力を与えることにより遮光率を連続的に変化させることが可能であり、
無段階遮光フィルム301の一方の端をパイプ状部材302に固定し、もう一方の端をもう一方のパイプ状部材302’に固定する。これらパイプ状の部材は、支持するための部材303および304により支えられている。タイミングベルト305によりパイプ状部材302’を回転させ、無段階遮光フィルム301に張力を与える。このための駆動機構306はチャンバー103の内部に配置されている光量センサー307（例えば照度計）による出力を受けて駆動機構306により無段階遮光フィルム301に与える張力を決定し、駆動する。
【００３６】
図４は、本発明の水耕栽培装置の長手方向の端面近傍に配置されている栽培養液用の温度制御機構105と栽培槽102並びにチャンバー104との関係図である。栽培槽の底面に空けた穴より栽培槽102と栽培パレット203との間の栽培養液205が、通水するパイプ401を通じて栽培養液の温度制御機構を構成する栽培養液タンク402に流れ落ちる。このタンクの内、栽培槽から溶液が流れ込む部分に、栽培養液の温度を制御するための熱交換器403を配置する。
【００３７】
この熱交換器403は、請求項に記載の通り、水と空気の熱交換を行う量産されている熱交換器を用いている。この熱交換器に熱媒（ここでは冷熱および温熱のいずれか）を流路404より熱交換器の水流路に流し、流路405より熱交換器の水流路より熱媒源に戻す。このようにして、栽培養液の温度を制御する。
【００３８】
熱交換器403の空気流路を通った水は、熱交換器403との熱交換により適温になり、適温となった水は、タンク402の下部よりポンプ406により吸い出され、栽培槽の上流側に通水用パイプ407を経て送り出される。このようにして栽培槽102と栽培パレット206との間を流れる栽培養液の温度を制御しつつ栽培養液を循環させる。
【００３９】
図５は、本発明の水耕栽培装置に付随させることが可能な二酸化炭素の供給機構の説明図である。チャンバー103の外部に二酸化炭素供給源であるボンベ501より二酸化炭素の供給路に制御バルブ502を取り付ける。この制御バルブ502は、タイマースイッチ503により、日が昇り始める時刻に開かれる。その後、日が沈むまでの間はチャンバー内に設置されているCO2センサー504により、チャンバー内の二酸化炭素濃度を計測し、二酸化炭素濃度の上限と下限を定め、上限値になれば制御バルブ502を閉じ、下限値になれば制御バルブ502を開く。このようにして、日中は二酸化炭素濃度を制御する。
【００４０】
図６は、本発明の水耕栽培装置に付属する閉鎖空間210中の雰囲気温度制御機構の図である。チャンバー103の内部に、熱交換器601を取り付ける。この熱交換器に、熱媒（冷熱または温熱のいずれか）源より流路602を経て熱交換器601に熱媒を送り込み、流路603を経て熱交換器601より熱媒を熱媒源に戻す。ここで、熱交換器601の背面に取り付けているファン604を回すことで、雰囲気温度制御のための温熱または冷熱をチャンバー103内部に送り出す。このファン604の役割は、温熱または冷熱をチャンバー内に送り出すことと同時に、チャンバー103内部の空気を循環させ、環境の均一性を保つ働きも備えている。なお、温度制御はチャンバー103内部に設置している温度センサー605によりモニタリングを行い、一定温度範囲内に保つように制御する。
【実施例】
【００４１】
以下に、本発明の植物工場内における運転の実施例を示す。
（実施例１）
【００４２】
本発明の水耕栽培装置による葉物栽培の実施例の一つとして、季節による運転方法の違いを示す。第一に、夏の例を挙げる。夏は日照時間が長く、太陽も高く上るために、ビニルハウス101およびチャンバー103内の温度は上昇しやすい。すなわち、閉鎖空間210の温度および栽培養液205の温度が上昇しやすい。このため、これらの温度制御を行う際には、栽培養液温度制御機構105に付随する熱交換器403並びにチャンバー内雰囲気温度制御機構107に付随する熱交換器601に供給される熱媒は冷媒となる。
【００４３】
このような冷媒を作り出す際に、小電力消費であり、中温の熱媒による駆動が可能な吸着式冷凍機と工場排熱あるいは太陽集熱器などを用いて化石燃料の消費を抑えた環境制御が可能になる。
【００４４】
また、夏季は上記の通り日照時間が長いため、光合成の内、光を必要とする明反応が盛んになる。また、光を必要とはしないが光があることでその反応が促進される暗反応に二酸化炭素が用いられるため、CO2の付与量は大きくなることが見込まれる。暗反応には反応に関与する要因は二酸化炭素濃度である。濃度とは、単位体積当たりに含まれる量と言い換えることができるため、CO2を付与する空間を限定することにより、夏季の収量を少量の二酸化炭素の付与により、増加させることができる。
（実施例２）
【００４５】
同様に、本発明の水耕栽培装置による葉物栽培の実施例の第二の例として、冬の例を挙げる。冬は日照時間が長く、太陽も低いため、ビニルハウス101およびチャンバー103内の温度は比較的上昇しにくい。しかしながら、水耕栽培が可能な水温には上限と下限があり、また、水耕栽培を行う際の栽培液および雰囲気を最適温度にするためには、これらを温める運転が必要になると考えられる。このため、これらの温度制御を行う際には、栽培養液温度制御機構105に付随する熱交換器403並びにチャンバー内雰囲気温度制御機構107に付随する熱交換器601に供給される熱媒は温熱媒となる。
【００４６】
このように温熱媒体を作り出す際には、工場排熱あるいは太陽集熱器などを用いることが考えられる。また、小電力消費であり、前述の中温の熱媒による駆動が可能な吸着式冷凍機をヒートポンプとして運転する手法も考えることができる。また、冬季は夜間の温度に気を付ける必要があるため、これらの手段で作り出した温熱を蓄える機構、例えば蓄熱槽などを用いて夜間の環境を保つ運転方法が想定される。
【符号の説明】
【００４７】
100  ビニルハウスの中に設置した閉鎖空間太陽光式水耕栽培槽
101  ビニルハウス
102  水耕栽培用浅水式栽培槽
103  閉鎖空間を形成するためのチャンバー
104  無段階遮光ネットを利用した遮光機構
105  水耕栽培用栽培養液の温度制御機構
106  チャンバー内部への二酸化炭素付与機構
107  チャンバー内部雰囲気温度制御ならびに環境の均一化を図るための機構
201  栽培槽の水漏れを防ぐための一枚もののフィルム
202  栽培槽で栽培される葉物野菜
203  栽培パレット
204  栽培槽で栽培される葉物野菜の根
205  栽培槽を流れる栽培養液
206  地面
207  高さ調節を可能にする栽培槽の足
208  チャンバー支持部材側面部
209  チャンバー支持部材上面部
210  チャンバーにより形成される閉鎖空間
211  ビニルハウス内部（チャンバーにより形成される閉鎖空間との対比用）
301  無段階遮光ネット
302  遮光ネット取付けパイプ（固定側）
302’   遮光ネット取付けパイプ（駆動側）
303  遮光機構の骨組み（上面部）
304  遮光機構の骨組み（側面部）
305  タイミングベルト
306  遮光ネット取付けパイプ（駆動側）の駆動装置
307  光量センサー
401  栽培養液を栽培養液温度制御機構のタンクに落とすための流路
402  栽培養液温度制御機構のタンク
403  栽培養液温度制御用の熱交換器
404  栽培養液温度制御用の熱交換器の熱媒流路（入側）
405  栽培養液温度制御用の熱交換器の熱媒流路（出側）
406  栽培養液を栽培槽上流に送り出すポンプ
407  栽培養液を栽培槽上流に送り出すパイプ（流路）
501  CO2ボンベ
502  CO2付与制御用制御バルブ
503  タイマースイッチ
504  CO2濃度モニター
601  チャンバー内雰囲気温度制御用の熱交換器
602  チャンバー内雰囲気温度制御用の熱交換器の熱媒流路（入側）
603  チャンバー内雰囲気温度制御用の熱交換器の熱媒流路（出側）
604  ファン
605  チャンバー内温度センサー
【図１】
2016140304.tif 000003
【図２】
2016140304.tif 000004
【図３】
2016140304.tif 000005
【図４】
2016140304.tif 000006
【図５】
2016140304.tif 000007
【図６】
2016140304.tif 000008