JPH0763275B2 - 孤立生活空間における植物栽培装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は植物栽培装置に関し、詳しくは原子力潜水艦内
生活空間、炭酸ガスおよび酸素等のガスや水および養分
が制御されて供給されるバイオテクノロジーを用いた植
物栽培空間、宇宙ステーション内生活空間、人工衛生内
生活空間、月面上生活空間等のように、地上における通
常の生活空間から長期にわたって隔離された孤立空間に
おける植物栽装数値に関するものである。

（従来の技術） 原子力潜水艦内生活空間等における孤立生活空間におい
て、長期にわたって地上の大気から隔離されて生命を維
持するためには、水、食糧、酸素を自給できるようにし
なければならない。このような孤立生活空間において、
植物を栽培し食糧を得るシステムは、酸素−炭酸ガス交
換、排泄物−水分・養分交換の観点から有利であるた
め、世界各国で研究されている。

他方、特開昭60−94035号公報に１例が示されるよう
に、人工光源を用いて植物を栽培する装置が研究されて
いる。上記公報記載の従来例は人工光源を軸心とする円
筒面に栽培床を配したものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は原子力潜水艦内生活空間、バイオテクノロジー
を用いた叙上の植物栽培空間、或いは宇宙ステーション
や月面上生活空間等の無重力又は小重力の状態にある孤
立生活空間に適する植物栽培装置を提供することを主目
的として開発されたものである。

このような空間においては、次のような条件を充足する
植物栽培システムが要請される。

植物の順調な生育が確保されること。特に無重力又
は小重力の状態にあるにもかかわらず、植物の光趨性に
よって一定方向に植物が生長すること。

エネルギー源である人工光源用電力及び栽培床を配
置するための空間は共に非常に貴重であるので、人工光
源の光の有効利用、CO₂施肥技術の導入及び高密度栽培
が可能であること。

ところで、地上用の通常の植物栽培装置として開発され
た上記特開昭60−94035号公報記載の装置を、上記のよ
うな孤立生活空間において用いたとしても、上記、
の条件を充足することはできない。すなわち、この従来
例においては、炭酸ガスおよび酸素等のガスや水および
養分の植物栽培床への供給方法および供給手段と、植物
の生長方向を決定する反重力趨性及び光趨性については
何ら配慮されていず、また植物を一定方向に生長させし
かもCO₂施肥技術を用いて短期間に収穫可能とするよう
な技術手段も全く開示されていないからである。なお、
栽培床を支持する円筒体を常時回転させ、その際に生ず
る遠心力を植物に感知させて、遠心力と反対の方向に植
物を生長させる研究、すなわち人工的に重力を作り、反
重力趨性によって一定方向に植物を生長させる研究が上
記従来例の他特開昭62−29915号公報記載のものにおい
ても行われているが、この種従来のものにあっては装置
が複雑になり、このために要するエネルギーも大となる
ため実用化は困難である。

又上記従来の装置は、その人工光源が例えば第５図に示
すように配置されている。具体的には４本の棒状ランプ
ａが小円筒面上に配列されているが、これら棒状ランプ
ａから照射される光の内、外周側すなわち栽培床ｂ側に
向けて照射されるものは有効利用される一方、内周側に
むけて照射されるものは有効に利用されないという問題
がある。このように上記従来の装置は人工光源の有効利
用上不利であるという欠点を有しているが、その上円筒
面上に栽培床を配設しているため、植物栽培装置を孤立
生活空間の所定箇所にコンパクトに設置することが困難
であるという問題も有している。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記課題を解決するため、植物と少なくとも人
間を含む動物とが外界から隔絶されて存在する孤立生活
空間における植物栽培装置において、人工光源と、この
人工光源に対面しかつ保水性を有する栽培床と、栽培床
で栽培される植物と動物との間で酸素と炭酸ガスとを循
環させるガス循環装置と、前記植物に水および養分を供
給する手段とを備え、前記人工光源は、栽培床で栽培さ
れる植物に照射する光の光合成有効光量子束密度（PPF
D）が、無重力状態におかれた植物の場合にもその生長
方向を人工光源に向かう方向に一定させる以上の値のも
のであることを特徴とする。

そして特に人工光源の有効利用と高密度栽培の観点か
ら、前記人工光源を一平面上に配すると共に、人工光源
の両側に位置する２つの平面上の夫々に栽培床を配する
と好適である。又この場合、平行に配された複数の棒状
ランプで前記人工光源を構成するとよい。

上記のような植物栽培装置は孤立生活空間内にオープン
に構成することも可能であるが、環境条件を植物の生育
に最適となるよう調整するため、孤立生活空間内に内部
の環境が制御される栽培ボックスを配し、この栽培ボッ
クス内に人工光源及び栽培床を配するようにすると最適
である。

なお、本発明は原子力潜水艦などの内部空間や無重力状
態又は小重力状態にある孤立生活空間において用いられ
る植物栽培システムに適用されると最も効果的ではある
が、その他叙上の孤立空間などの内部空間においての植
物栽培システムとしても適用可能である。

（作 用） 本発明は人工光源から栽培床に照射する光のPPFD（Phot
osynthetic Photon Flux Density）を、無重力状態にお
かれた植物の場合にもその生長方向を人工光源に向かう
方向に一定させる以上の値に設定し人工光源に対面し且
つ保水性を有する栽培床から生育する野菜などの植物に
生長方向を与え、植物の順調な生育を可能にしている。
PPFD、すなわち光合成有効光量子束密度はクロロフィル
ムが吸収する波長域（400〜700nm）の光量子密度を意味
するが、このPPFDが所定値以上になると、植物の有する
光趨性と呼応して植物の生長方向を光に向かう方向に一
定させ、重力等の他の影響を排除することが発明者によ
って解明された。例えばレタスについてはPPFD 200μE/
m²/s好ましくは300μE/m²/s以上とすることによって、
レタスを光に向かう一定方向に順調に生育させることが
できる。またレタスは、CO₂濃度が6000ppmにおいて411m
g/dm₂/dayの正味光合成速度（栽培50日間平均）の試験
例があることから植物栽培室への炭酸ガス供給量の制御
を植物の生育に応じて制御することが望ましい。従って
原子力潜水艦などの密閉空間、苛酷な気象条件地域にお
ける生活空間或いは月面生活空間のように無重力又は小
重力状態の孤立生活空間においても、人工的な重力等を
与える必要なしに、植物を一定方向に順調に生育させる
ことが可能となる。しかも栽培床は保水性を備えている
ので、無重力空角等であっても水分・養分を確保でき、
又人工光源に向けて自由な位置に栽培床を高密度に配置
することができる。そして、前記人工光源を一平面上に
配すると共に、人工光源の両側に位置する２つの平面上
の夫々に栽培床を配し、これら栽培床に向け所定値以上
のPPFDの光を照射する構成とすれば、人工光源の両側か
ら照射される光は夫々有効利用される結果、人工光源用
電力の消費を節減できる。又人工光源、栽培床の全体配
置を直方体状にまとめることが容易であるので、植物栽
培装置を孤立生活空間の適所にコンパクトに設置し易い
という利点がある。

さらに、ガス循環装置によって、人間等の動物は植物が
排出するO₂を利用することができる一方、植物栽培床に
光合成反応（CO₂＋H₂O＋114Kcal→CH₂O＋O₂）に必要なC
O₂を植物の生育に応じて適宜制御しつつ供給することに
よって植物の早期量産も容易であるという利点もある。

（実施例） 第１図は原子力潜水艦内生活空間100においての植物栽
培システムを概念的に示している。この生活空間100は
ガス循環装置101、水浄化再生循環装置102、排泄物処理
装置103を備え、長期間自給自足ができるように構想さ
れた空間である。この生活空間100内において、第１図
に示すように、O₂、CO₂、水、排泄物、食糧（生育植
物）等が循環し、ほぼ完全な閉鎖生態系が構成されてい
る。ただし、外部エネルギーが電源装置104（宇宙ステ
ーションや月面上生活空間では太陽電池）を通じて内部
に取り込まれている。

植物栽培システムは、人工光源、栽培床等を備えた栽培
ボックス105と、栽培ボックス105に接続されてその内部
空間の環境をコントロールすると共に培養液を供給する
コントロールボックス106とから成立している。栽培ボ
ックス105の内部には植物栽培室が形成され、該植物栽
培室に供給する炭酸ガスおよび酸素等のガスや水および
養分は、この実施例では植物栽培室の外部、即ち植物栽
培ボックス105の外部の孤立生活空間100内に配設したガ
ス循環装置101、水浄化再生循環装置102、排泄物処理装
置103から後述のコントロールボックス106および配管
３、４、５を介して植物栽培室内に供給される。このと
き、各々の供給量は、植物栽培室内に設けられた炭酸ガ
ス濃度検出センサー、酸素濃度検出センサー、養分濃度
検出用PHセンサー等からの各種センサー出力の電気信号
をコントロールボックス106にフィードバックし、前記
配管３、４、５の適所に設けた弁（図示せず）をコント
ロールボックス106からの出力信号に応じて開閉制御す
ることによって適宜流量制御される。

また、孤立生活空間100内を植物栽培室の内部とするこ
とによって、植物栽培ボックス105を省略することもで
きる。コントロールボックス106は前記ガス循環装置10
1、水浄化再生循環装置102、排泄物処理装置103と接続
され、又電源装置104と電源制御装置107を介して接続さ
れている。人工光源は、電源装置に接続され、植物栽培
室の内部に設けた光の照射量を検出するセンサーからの
電気信号の出力をコントロールボックス106にフィード
バックすることによって、電源装置が励起する発光電力
を栽培床に植込まれる植物に照射する光の光合成有効光
量子束密度（PPFD）が該植物生長方向を光に向かう方向
に一定させる値以上になるように制御している。尚、人
工光源の経年劣化に備えて、予備の人工光源を並設し、
これを上記PPFDの値の低下に応じてコントロールボック
ス106から給電点灯するようにしてもよい。尚、前記各
種装置101、102、103、107は個々に研究開発され、夫々
が公知のものであるので説明は省略する。

第２図ないし第４図は上記生活空間100内に配された栽
培ボックス105及びコントロールボックス106を詳細に示
している。栽培ボックス105は複数の栽培ユニット１か
らなり、各栽培ユニット１とコントロールボックス106
とは給気管３、排気管４、給液管５とによって接続され
ている。

各栽培ユニット１は同一構造に形成され、人工光源とし
ての複数本の蛍光灯（棒状のランプの１例）６、これら
蛍光灯６の両側方に配置された栽培床７、培養液を栽培
床７に分配して与える培養液配給手段８、及びこれらを
収容するキャビネット９から成り立っている。

キャビネット９は高さ2m、奥行き2m、横幅1mの直方体形
状に形成され（従って、横幅が最小となる直方体形状で
ある。）、左外箱9l、右外箱9r、蛍光灯支持枠9cの３つ
のキャビネット構成エレメントから構成される。左外箱
9lと右外箱9rとは対称形状に形成され、両外箱9lでキャ
ビネット外装体となり、その内部に前記蛍光灯支持枠9c
が収容される。

蛍光灯支持枠9cはキャビネット９内の空間の中央に位置
し、その横断面の大部分を覆う矩形枠に形成されてい
る。そしてこの支持枠9cには複数本の蛍光灯６が等間隔
に配設支持されている。又この支持枠9cは第４図に示す
ように後部が枢軸10aによって枢支されており、枢軸10a
を中心として左右に回動できるようになっいる。

左右の外箱9l、9rの夫々の前面板11は透明ガラス窓12を
有してキャビネット９の内部観察が可能なようになって
おり、又CO₂濃度表示盤、O₂濃度表示盤、温度表示盤、
湿度表示盤などを備えている。この前面板11は第４図に
下層線で示すように前方に開くことができる。又左右の
外箱9l、9rの夫々の側板13の内面全域には、ロックウー
ルからなる栽培床７が配設されている。ロックウールは
保水性を備え、培養液を長時間保持すると共に、植物の
根の発育に好適である。左右の外箱9l、9rは後面板15ど
うしを前記枢軸10aを備えたヒンジ10で結合され、前記
枢軸10aを中心にして左右に開くように構成されてい
る。更に左右の外箱9l、9rの頂板16及び底板17には、前
記給気管３、給液管５及び排気管４の夫々の栽培ユニッ
ト１に対する分岐管部が接続されている。

各栽培ユニット１は第２図に示すように左右方向に重ね
合わされるように配置されると共に左右方向に移動可能
に案内支持されている。このため、各栽培ユニット１の
背面に沿って左右方向に延びる左右１対のガイドレール
18が配設されている。又各栽培ユニット１の左右の外箱
9l、9rの後面板15の夫々の外端には前記ガイドレール18
上をこれに支持されて転動するガイドローラ19が取付け
られている。

各栽培ユニット１は閉じられた状態において、互いに接
するようにして配置されるので、占空間を少くして、多
量の植物を栽培することができる。そして或る栽培ユニ
ット１を開放状態にして、植苗作業や収穫作業を行うと
きは、その栽培ユニット１の開放を可能とするために移
動させなければならない他の栽培ユニット１をガイドレ
ール18に沿って移動させ、次いで第２図及び第４図に示
すように左右の外箱9l、9rを開放すればよい。なお、前
記蛍光灯支持枠9cを回動可能な構造としているのは、例
えば左の外箱9lの植物Ａを収穫するときにおいて、蛍光
灯支持枠9cを第４図に仮想線で示す位置に退避させて、
収穫作業を容易に行わせるためである。勿論、栽培ユニ
ット１が閉状態のとき、前記蛍光灯支持枠9cは栽培ユニ
ット１の中央に位置していることが好ましく、このため
の位置規定手段（図示省略）を設けることが好ましい。

前記コントロールボックス106は、培養液供給装置と環
境ガス調整装置を内蔵している。このコントロールボッ
クス106も栽培ユニット１と略同じ大きさの直方体に形
成され、端に位置する栽培ユニット１に隣接するように
配置されている。培養液供給装置は前記給液管５を通じ
て各栽培ユニット１の培養液配給手段８に接続されてい
る。そして培養液供給装置からマイコン制御によって供
給時期、供給量が制御された培養液が前記培養床７に分
配される。第３図に示す例は培養液配給手段８が重力の
有無に係らず使用可能な噴霧方式によるものであるが、
他に重力が作用する空間において本発明を実施する場合
は、滴下方式のものなどを採用することができる。これ
によって適切な時期に適量の水分、栄養分が植物に付与
される。

尚、無重力の孤立生活空間では、噴霧滴や植物の枯葉等
が浮遊物として空間を慣性で漂うため、これら浮遊物を
バキュームポンプ等で吸引し、フィルターに付着収集さ
せる装置を植物栽培ボックス105に付設することが好ま
しい。

前記環境ガス調整装置は、温度調整機能、湿度調整機
能、CO₂濃度調整機能、O₂濃度調整機能、風速調整機能
のすべての機能を備えている。そして、環境ガス調整装
置は前記給気管３を通じて各栽培ユニット１に温度、湿
度、CO₂濃度、O₂濃度、風速が調整されたガスを植物の
種類および生育に応じて適量・適時供給する。殊にCO₂
ガスは地上の大気中の含有量より多く供給する。例え
ば、ハツカダイコンやコカブではCO₂濃度を各々2000pp
m、9000ppmにすることが好ましい。又各栽培ユニット１
内のガスは前記排気管４を通じて環境ガス調整装置に戻
され、そこで一部はガス循環装置101との間でガス交換
され、残りは調整されて再使用される。温度等の調整
は、各栽培ユニット１内に配した温度センサ、湿度セン
サ、CO₂濃度センサ、O₂濃度センサから発信される信号
に基き、これとの比較の上でマイコンによる制御が駆使
されて行われる。

図示する例では、給気管３、排気管４、給液管５のいず
れもが本管部とこれから分岐して各栽培ユニット１に接
続される分岐管部とからなり、栽培ユニット１を増設す
ると、必要に応じて分岐管部を本管部に接続するだけで
よい構成となっている。分岐管部は長さに余裕のあるフ
レキシブルチューブで構成され、栽培ユニット１の移動
や開閉動に追随できるようになっている。この例は、各
栽培ユニット１の内部環境が共通でよい場合に適してい
る。もし多品種植物栽培を行う場合には、各栽培ユニッ
トの培養液・雰囲気ガスの諸条件を個々に調整する必要
があるので、各栽培ユニット１とコントロールボックス
２との配管を個別配管とすると良い。なお、コントロー
ルボックス106は電源制御装置107から電力供給を受け、
これに基き前記蛍光灯６の照明時間、照度などの調整を
行う機能も有している。

各栽培ユニット１は、キャビネット１内の中央における
一平面上に複数の蛍光灯６が並設され、その両側に位置
する２つの平面上の夫々に保水性を供えた栽培床７を配
設した構造となっており、蛍光灯６の光を効率的に用い
ることができる。そして栽培床７に植えられた植物Ａ
は、PPFDが所定値以上の光を照射されることにより、そ
の光の方向に向いて順調に生長する。例えばレタスの栽
培において、蛍光灯６と栽培床７との距離が23cm、蛍光
灯６を常時点灯させた条件下において、PPFDが200μE/m
²/Sの光、好ましくはPPFDが300μE/m²/Sの光を照射する
ことにより、レタスを光の方向に向け順調に生長させる
ことができる。このように蛍光灯６の光量を或る値以上
とすることにより、植物Ａを栽培床７と直角の方向に生
長させることが可能である。

蛍光灯６としては、３波長域発光形蛍光灯（FL−EX）、
昼光色蛍光灯（FL−Ｄ）、植物用蛍光灯（FL−PG）など
があり、いずれを用いてもよいが、PPFDとの形ではFL−
EXが効率が良い。なお上記側では人工光源として蛍光灯
６を用いたが、この外高圧ナトリウムランプ、メタルハ
ライドランプなどを用いることができる。

前記栽培ユニット１は、これ単独でも植物栽培ボックス
105として用いることができる。その際上記の例のよう
に外部に配置されたコントロールボックス106などと管
を介して接続して、培養液供給等を行うようにしてもよ
いが、これらをキャビネット９内に組込むことも可能で
ある。或いは滴下方式の培養液供給装置のみを組込み、
他の調整装置を省略した開放タイプの簡易植物栽培装置
とすることも可能である。

本発明の植物栽培システムは上記実施例に示す原子力潜
水艦内生活空間の場合の他、宇宙ステーションなどの、
植物と少なくとも人間を含む動物とが外界から隔絶され
て存在する孤立生活空間において適用することができ
る。

（発明の効果） 本発明によれば、無重力又は小重力の状態にかかわら
ず、植物の光趨性が助長された状態で、その順調な早期
生育を可能とし、かつ植物と動物との間での酸素と炭酸
ガスとの交換を合理的に行える孤立生活空間における植
物栽培装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示すブロック図、第２図はそ
の具体的装置を示す斜視図、第３図は栽培ボックスの横
断面図、第４図はその縦断平面図、第５図は従来例の斜
視図である。 ６……人工光源 ７……栽培床 100……孤立生活空間 104……電源装置 105……栽培ボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 洞口 公俊 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 田守 芳勝 大阪府大阪市北区茶屋町１番32号 ヤンマ ーディーゼル株式会社内 (72)発明者 松島 正明 大阪府大阪市北区茶屋町１番32号 ヤンマ ーディーゼル株式会社内 (56)参考文献 特開 昭64−80231（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】植物と少なくとも人間を含む動物とが外界
   から隔絶されて存在する孤立生活空間における植物栽培
   装置において、人工光源と、この人工光源に対面しかつ
   保水性を有する栽培床と、栽培床で栽培される植物と動
   物との間で酸素と炭酸ガスとを循環させるガス循環装置
   と、前記植物に水および養分を供給する手段とを備え、
   前記人工光源は、栽培床で栽培される植物に照射する光
   の光合成有効光量子束密度（PPFD）が、無重力状態にお
   かれた植物の場合にもその生長方向を人工光源に向かう
   方向に一定させる以上の値のものであることを特徴とす
   る孤立生活空間における植物栽培装置。