JP4529164B2 - 無風環境型植物育成チャンバー及び温度調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、遺伝子を組換えた植物を実験栽培することが可能なチャンバーに係り、特に、接触形態形成で遺伝子に生じる変動を防止することができ、他殖の抑制が可能な無風環境型植物育成チャンバー及び温度調整方法に関する。

特許文献１に、農作物に直接空気を吹き当てることなく、無風状態で所望の空調を行うことができる農業用空調システムが記載されている。このシステムは、カバー本体の外側に空調カバーを設け、空調カバーとカバー本体との間に送風する空調装置を備えたシステムである。このシステムによると、調整された送風は、カバー本体の内壁を伝導して栽培環境の温度を調整するように設けている。

また、植物育成用のチャンバーとして、特許文献２に、植物育成貯蔵装置および植物育成貯蔵方法が記載されている。この装置では、苗の育成及び、育成後の植物の貯蔵のいずれにも適した照明を苗に与えることを可能にしたものである。そのため特許文献２では、制御部により光源の点灯を制御することで、育成後の植物の貯蔵時にも、植物の育成時と同じ条件で光を照射するものである。

一方、遺伝子を組換えた特殊な植物を育成するために用いるチャンバーは、植物の「接触形態形成（thigmomorohogenesis）」を極力防止する必要があることが最近明らかになった。すなわち、植物は、雨、風、接触等により、その生育や形態を顕著に変化させる能力を有している。そして接触刺激を受け続けた植物は、花の形成が遅れ、あるいは花茎の伸長抑制が起こるなど、その生育に支障を来すことになる。研究によると、植物は、物理的、機械的刺激を検知するセンサーシステムを有しており、これらの刺激に応じて形態を変化し発達させる過程や機構を「接触形態形成」と称している。最近明らかになったのは、この「接触形態形成」で多数の遺伝子の発現に変化が生じていることである。このような、外的要因により発現する遺伝子の変化は、遺伝子を組み換えた植物の実験栽培において、正確なデータの障害になる虞がある。そこで、このような特殊な実験栽培には、接触刺激等の外的要因により遺伝子が変化しないように栽培する必要が生じてきた。また、植物の栽培目的として、たとえばイネなどの後代種子の採種、系統の維持・管理及び解析を目的とすることがある。このような目的の栽培では、風による花粉の飛散によって周囲の異なる遺伝子組換えイネ系統との交配を防止する必要がある。そのため、物理的、機械的刺激を与えずに済み、花粉の飛散を確実に防止することができる無風の植物育成チャンバー及び温度調整方法の提供が望まれている。
特開平５-３０号公報 特開２００４‐５５号公報

特許文献１の農業用空調システムでは、苗等に冷気が直接当たることで生じる苗枯れを防止する空調システムを提供したものである。そこで、無風状態の空調を実現するために
農作物用の収容空間を画成するカバー本体を設け、このカバー本体自体に冷気や暖房を送り込み、カバー本体の内壁面を通じて農作物用の収容空間内に空調温度を伝導せしめるものである。そのため、カバー本体から熱伝導する空調温度が、このカバー本体から最も離れている植物周辺の温度を調整するまでに長時間を要し、育成植物周辺の温度変化に対応する時間が遅くなる不都合がある。たとえば、照射ランプの光量変化や昼夜等の環境変化、あるいは、実験室内で作業する作業員の体温、更には育成する植物から放熱される育成熱など、刻々と変化する熱量や外部の条件変化を感知して内部温度を短時間で一定にする必要がある。ところが、熱伝導手段による空調では、熱源に近い位置と遠い位置とで温度差が生じると共に、熱伝導の時間が遅いので、植物の実験栽培に使用することはできない。

一方、遺伝子を組み換えた植物の実験栽培では、「接触形態形成）」の発生を防止し、他殖を抑制するために、無風状態が望まれるが、実験データの精度を高めるには、栽培環境の温度や湿度、採光時間等を正確にコントロールする必要がある。ところが、特許文献１の農業用空調システムでは、苗等に冷気が直接当たることで生じる苗枯れを防止することは可能でも、特殊な実験栽培において温度や湿度等を正確にコントロールすることは極めて困難である。しかも、このような栽培環境の正確なコントロールは、特殊な実験用に限定されるものではなく、有料品種を効率良く栽培する実験等においても重要な条件になっている。

このように、栽培環境の無風下における正確なコントロールは、特殊な実験用栽培や、有料品種を効率良く栽培するために重要な条件になっている。ところが、空気調和の理論によると、温度精度と換気とには正の相関関係があり、温度精度に比例して換気回数を上げる必要がある。すなわち、温度精度を上げるため換気回数を上げると、この換気による気流が増大し強い風となるので、換気回数を上げるほど無風状態を維持することが困難な条件になる。このような理由から、これまで無風下において精度の高い温度・湿度調整を実現するチャンバーは提供されていなかった。

また、特許文献２において、光源と、光源の点灯を制御する制御部とを有するチャンバーの記載はあるが、光源を制御する以外に、たとえば温度や湿度等の植物の栽培環境を制御することについての手段は不明であり、植物の特殊な実験栽培に必要となる無風下での正確なコントロールについての言及もない。したがって、当該特許文献２や前記特許文献１を組み合わせたとしても遺伝子を組み換えた植物の実験栽培に適したチャンバーを提供することは困難である。

そこで本発明は、上述の課題を解消すべく創出されたもので、無風下において植物の育成環境を極めて正確にコントロールすることが可能になり、遺伝子を組換えた植物の実験栽培も可能にする無風環境型植物育成チャンバー及び温度調整方法の提供を目的とするものである。

上述の目的を達成すべく本発明における第１の手段は、チャンバーの室内及び室外の温度状況により選択運転するバックアップ用を含む複数台の冷却装置と、チャンバー内の温度・湿度をデジタル指示調節計１にて設定値に調整するヒータ４及び加湿器５と、調整された調整エアーをチャンバー内部に送風する換気用送風機６とを備えた空気調和機１０を設け、前記換気用送風機６は、チャンバー内の上部に配置された調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制しチャンバー内の温度・湿度を均一にしながら無風換気する植物育成チャンバーであって、空気調和機１０は、１台の室外機２に複数台の冷却機３を備えた冷却装置が２基併設され、各冷却機３に備えられた各２個の電磁弁を前記デジタル指示調節計１にてON/OFF制御して室内の設定温度より低く調整すると共に、前記ヒータ４をPID制御してチャンバー内の設定温度に調整するように設けられ、該冷却機３は、室内の設定温度、夏季の室外温度、室内に配置した植物育成ランプ３０および各種機器の熱負荷条件、室内壁面および窓からの伝導熱負荷条件、ドアの開閉により室内に侵入する熱負荷条件、外気導入熱負荷条件、入室する作業者の人体熱負荷条件、植物から放熱される育成熱を制御条件としてON/OFF制御するように設定したことにある。

第２の手段は、前記換気用送風機６において、インバータ制御により、チャンバー内の循環換気回数をチャンバー内容積（m3）×６０回〜１５０回／（h）に設定し、前記筒状の布製フィルター２０を介してチャンバー内を無風換気するように設けられている。

第３の手段は、チャンバーの室内及び室外の温度状況により選択運転するバックアップ用を含む複数台の冷却装置と、チャンバー内の温度・湿度をデジタル指示調節計１にて設定値に調整するヒータ４及び加湿器５と、調整された調整エアーをチャンバー内部に送風する換気用送風機６とを備えた空気調和機１０を有し、換気用送風機６は、チャンバー内の上部に配置された調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制しチャンバー内の温度・湿度を均一にしながら無風換気する植物育成チャンバー内の温度を調整する方法であって、１台の室外機２に複数台の冷却機３を備えた冷却装置を複数基併設し、各冷却機３に備えられた電磁弁をデジタル指示調節計１にてON/OFF制御して室内の設定温度より低く調整した後に、冷却装置と共に設置したヒータ４をPID制御してチャンバー内の設定温度に調整することを課題解消のための手段とする。

本発明の請求項１によると、植物周辺を無風にしてチャンバー内の温度・湿度を均一にすることができるので、遺伝子を組換えた作物を実験栽培する際に、物理的、機械的刺激を与えずに済む。この結果、接触刺激等の外的要因により遺伝子が変化しないように育成することが可能になる。また、風による花粉の飛散を効果的に防止できる。花粉の飛散抑制により、周囲の異なる遺伝子組換え系統との交配を防止することが可能となる。このことは後代種子の採種、系統の維持・管理および解析において極めて重要である。また、複数台の冷却機３をON/OFF制御する際に、細かな条件を制御条件として設定しているので、温度変化の多少にかかわらず、常に設定温度近くまで冷却することができ、その上で、前記ヒータ４のPTD制御で最終温度調整をすることになるから、極めて正確な温度調整を可能にしたものである。

請求項１、３により、設定温度近くまで冷却した空気をヒータ４のPID制御によって設定温度に調整するので、極めて安定した温度調整が可能になった。また、１台の室外機２に複数台の冷却機３を備えた冷却装置を２基併設したことで、急激な温度変化が生じても短時間で設定温度近くまで冷却することが可能である。しかも、互いの冷却装置がバックアップ機能を奏するから、一方の冷却装置が故障しても栽培植物に影響を与えずに済む。

更に、請求項２によると、温度精度を上げるため換気回数を上げても、無風状態を維持することができる。したがって、チャンバー内の温度精度は、どの場所においても摂氏0.5度〜1.0度の範囲内となり、極めて正確なコントロールが可能になった。この結果、特殊な実験用栽培や、優良品種を効率良く栽培することができる。

このように、本発明によると、無風下において植物の育成環境を極めて正確にコントロールすることが可能になり、遺伝子を組換えた植物の実験栽培も可能にするなどといった種々の効果を奏するものである。

本発明モデルの最良の形態は、空気調和機１０の複数台の冷却機３を選択運転すると共に、加湿器５とヒータ４とを組み合わせてチャンバー内の温度・湿度を調整し、換気用送風機６にて調整エアーをチャンバー内部に送風する。チャンバー内の上部に配置された換気用送風機６の調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制する。チャンバーの上部空間から植物周辺を無風にして調整エアーを循環させると共に、該循環エアーの温度・湿度をデジタル指示調節計１にて制御する。前記空気調和機１０の４台の冷却機３の電磁弁を前記デジタル指示調節計１にてON/OFF制御して設定温度より低く調整する。そして、前記ヒータ４をPID制御してチャンバー内の温度を設定温度に調整する。前記空気調和機１０の換気用送風機６をインバータ制御し、チャンバー内の循環換気回数をチャンバー内容積（m3）×６０回〜１５０回／（h）に設定し、チャンバー内の上部に配置された調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制しチャンバー内の温度・湿度を均一にしながら無風換気するように設けることで当初の目的を達成する。

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。本発明チャンバーは、特に、遺伝子を組み替えた植物の実験栽培に使用するものであるが、優良品種の栽培目的など、一般の植物栽培用チャンバーとしても使用することができるものである。また、本発明チャンバーは、躯体内部に設けられた部屋状や、独立したユニットハウス状など、その形態は問わないが、遺伝子を組み替えた植物の実験栽培には、遺伝子封じ込め施設のP1レベルに対応するように設ける。

チャンバー内部には、栽培目的によってプログラム制御される複数の植物育成ランプ３０が設置されており、この植物育成ランプ３０から発生する熱がチャンバー内部の温度・湿度を変えないように空調されている。この空調には、空気調和機１０を使用する。この空気調和機１０は室内換気方式を採用する。図示例の空気調和機１０は、２基の冷却装置に、加湿器５、ヒータ４、換気用送風機６を組み合わせてチャンバー内の温度・湿度を調整する。

各冷却装置は、１台の室外機２に複数台の冷却機３を並列に連結したもので、この冷却装置を少なくとも２基設置する。これら冷却装置の各冷却機３は、チャンバーの室内及び室外の温度状況により選択運転するものである。各冷却機３の運転は、たとえば全ての冷却機３を常に一定出力で稼動させておき、各冷却機３に設けられている二つの電磁弁を、デジタル指示調節計１にて個別にON/OFF制御し、様々な出力に組み合わせることで、細かな温度調整を可能にしている。図示例では、４台の冷却機３に備えられている計８個の電磁弁をON/OFF制御することで、より微細な調整を可能にしている。また、２基の冷却装置は互いにバックアップ機能を有しているので、一方の室外機２や一部の冷却機３に不具合が生じても、他の室外機２や冷却機３で補償運転することが可能である。この際、室外機２や冷却機３の台数は、チャンバーの容積等により適宜変更することができる。

更に、これらの電磁弁を、デジタル指示調節計１にて個別にON/OFF制御するには、少なくとも、次の条件で制御している。すなわち、室内に配置した植物育成ランプ３０の照明温度および室内の設定温度、夏季の室外温度、室内の各種機器の熱負荷条件、室内壁面および窓からの熱負荷条件、ドアの開閉により室内に侵入する熱負荷条件、外気導入熱負荷条件、入室する作業者の人体熱負荷条件、植物から放熱される育成熱などである。特に、室内に配置した植物育成ランプ３０の使用名温度や夏季の室外温度、室内の分析機器や冷蔵庫など各種機器の熱負荷条件などは、室内温度を急激に変化させる要因となっているので、各チャンバーの使用条件ごとに予め制御条件として設定する。一方、入室する作業者の人体熱負荷条件や植物から放熱される育成熱などは、軽微な変化ではあるが、正確な温度調整を実施するには欠かすことのできない制御条件になっている。

ヒータ４は、前記冷却機３のON/OFF制御で設定温度よりも低く調整する。その後空気をPID制御で設定温度に調整するものである。たとえば家庭用で使用されているインバータ制御のルームクーラーは、制御温度の誤差が大きいので、正確な温度調整には不向きである。そのため、本発明では、インバータ制御のない産業用の冷却機３を前述の如く複数台一定稼動させておき、各冷却機３の電磁弁を選択し、組み合わせて制御することで、設定温度近くまで冷却している。そして、この冷却された空気をヒータ４にて設定温度に調整するものである。このように、温度調整の最終段階において、デジタル指示調節計１によりPID制御するヒータ４を使用することで、極めて高精度の温度調整が可能になる。

加湿器５は、冷却機３やヒータ４によって温度が調整された空気を加湿するもので、デジタル指示調節計１にて調整される。このとき、使用する加湿器５は、電熱式蒸気発生器を使用することで、デジタル指示調節計１による連続比例制御が可能になり、高精度の調湿効果が得られる。

換気用送風機６は、温度・湿度が調整された調整エアーをチャンバー内部に送風する装置である。室内の温度精度と換気回数の関係は、温度精度が±１℃のとき室内容積（m3）×３０回／（h）、温度精度が±0.5℃のとき室内容積（m3）×６０回／（h）、温度精度が±0.25℃のとき室内容積（m3）×１２０回／（h）となる。そこで、本発明では、換気用送風機６として、温度精度が±0.25℃以下を実現するために、室内容積（m3）×１５０回／（h）の換気が可能なインバータ制御による高静圧換気用送風機を使用している。

一方、換気用送風機６からチャンバー内の上部に延長配置された調整エアー吹き出し口に、筒状の布製フィルター２０を装着している。この布製フィルター２０は、吹き出し口の風を抑制し、チャンバーの上部空間から植物周辺を無風にして調整エアーを循環させるようにしている。すなわち、温度精度±0.25℃以下を実現するために、換気用送風機６が室内容積（m3）×１５０回/（h）の換気を実施すると、室内を循環する空気量が多くなり、そのため室内に供給される調整エアーの風も強くなる。しかしながら、布製フィルター２０を使用して吹き出し口の風を抑制することで、この風を抑制し、植物の周囲では無風状態といえる程の循環を可能にしている。この布製フィルター２０は、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられており、吹き出し口の風を抑制するほか、布製フィルター２０からの塵埃の発生がなく、給水率０％でカビの発生もなく、換気用送風機６で送風された塵埃を補足する作用もある。

尚、図中符号４０はシーケンサー、符号５０は操作装置、符号６０は制御盤を示す。また、本発明は、実施例に限定されるものではなく、各構成要素の設計変更や材質の置換、用途の変更などは任意に行えるものである。

本発明チャンバーの一実施例を示す概略側面図である。 本発明の空気調和機を示す概略正面図である。 本発明の制御関係を示す概略図である。

符号の説明

１ デジタル指示調節計
２ 室外機
３ 冷却機
４ ヒータ
５ 加湿器
６ 換気用送風機
１０ 空気調和機
２０ 布製フィルター
３０ 植物育成ランプ
４０ シーケンサー
５０ 操作装置
６０ 制御盤

Claims (3)

1. チャンバーの室内及び室外の温度状況により選択運転するバックアップ用を含む複数台の冷却装置と、チャンバー内の温度・湿度をデジタル指示調節計１にて設定値に調整するヒータ４及び加湿器５と、調整された調整エアーをチャンバー内部に送風する換気用送風機６とを備えた空気調和機１０を設け、前記換気用送風機６は、チャンバー内の上部に配置された調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制しチャンバー内の温度・湿度を均一にしながら無風換気する植物育成チャンバーであって、
   空気調和機１０は、１台の室外機２に複数台の冷却機３を備えた冷却装置が２基併設され、各冷却機３に備えられた各２個の電磁弁を前記デジタル指示調節計１にてON/OFF制御して室内の設定温度より低く調整すると共に、前記ヒータ４をPID制御してチャンバー内の設定温度に調整するように設けられ、
   該冷却機３は、室内の設定温度、夏季の室外温度、室内に配置した植物育成ランプ３０および各種機器の熱負荷条件、室内壁面および窓からの伝導熱負荷条件、ドアの開閉により室内に侵入する熱負荷条件、外気導入熱負荷条件、入室する作業者の人体熱負荷条件、植物から放熱される育成熱を制御条件としてON/OFF制御するように設定されたことを特徴とする無風環境型植物育成チャンバー。
2. 前記換気用送風機６において、インバータ制御により、チャンバー内の循環換気回数をチャンバー内容積（m3）×６０回〜１５０回／（h）に設定し、前記筒状の布製フィルター２０を介してチャンバー内を無風換気するように設けられた請求項１記載の無風環境型植物育成チャンバー。
3. チャンバーの室内及び室外の温度状況により選択運転するバックアップ用を含む複数台の冷却装置と、チャンバー内の温度・湿度をデジタル指示調節計１にて設定値に調整するヒータ４及び加湿器５と、調整された調整エアーをチャンバー内部に送風する換気用送風機６とを備えた空気調和機１０を有し、換気用送風機６は、チャンバー内の上部に配置された調整エアー吹き出し口に、合成樹脂製のフィラメント糸で設けられた筒状の布製フィルター２０を装着して吹き出し口の風を抑制しチャンバー内の温度・湿度を均一にしながら無風換気する植物育成チャンバー内の温度を調整する方法であって、１台の室外機２に複数台の冷却機３を備えた冷却装置を複数基併設し、各冷却機３に備えられた電磁弁をデジタル指示調節計１にてON/OFF制御して室内の設定温度より低く調整した後に、冷却装置と共に設置したヒータ４をPID制御してチャンバー内の設定温度に調整することを特徴とする無風環境型植物育成チャンバーの温度調整方法。

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