CN101657089B - 用于生长有机物质的托盘以及苗圃装置 - Google Patents

Abstract

公开了用于生长有机物质的一种托盘(200)，该托盘包括多个发光二极管(204)。托盘(200)包括上侧(202)和下侧(206)。上侧(202)被设置成承载用于生长有机物质的基板(210)，下侧(206)被设置成辐射发光二极管(204)产生的光。托盘(200)包括一个结构，该结构能使托盘(200)在托盘上侧(202)辐射的由发光二极管(204)产生的热量比在托盘下侧(206)的多。托盘(200)能够提供改进的苗圃装置(100)，其中通过发光二极管(204)产生的热量来加热具有有机物质的土壤。以此方式，热量没有浪费到加热空气，而是用于加热土壤，从而使土壤的平均温度高于有机物质上方的空气。

Description

用于生长有机物质的托盘以及苗圃装置

技术领域

本发明涉及用于生长有机物质的托盘。本发明还涉及一种苗圃(nursery)装置。

背景技术

在美国专利4914858中公开了一种苗圃装置。所述专利公开的苗圃装置由容纳多个托盘的支架构成。用基板(substrate)填充托盘，在基板中插入要发芽的种子。在每个托盘上方放置一组发光二极管。从发光二极管发出的热量与灯泡发出的热量相比是微小的。这个很低的热辐射使园丁能够把发光二极管的位置放置得距植物体极近。

US6680200公开了一种用于促进植物组织生长的装置，这个装置包括多个托盘，每个托盘用于限定井(well)阵列，其中每个井包含组织样品。安装在每个托盘上方的电路板上的多个发光二极管阵列为所述托盘内的组织样品提供光。每个发光二极管被设置在对应的一个井上方的中央。

JP09-098665公开了一种植物栽培设备，这种设备能够减小电能成本，如照明成本和空调成本，同时还具有优秀的生长性能，对于蔬菜栽培是有益的。

在已知的装置中，空气的温度和土壤的温度在稳定的情况下是相等的。此外，土壤是经过空气加热的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改良的用于生长有机物质的托盘。

这个目的是通过包括多个发光二极管的用于生长有机物质的托盘实现的，所述托盘具有上侧和下侧，上侧设置成承载用于生长有机物质的基板，下侧设置成辐射发光二极管产生的光，托盘包括一个结构，所述结构能够使托盘向托盘上侧辐射的由发光二极管产生的热量比向托盘下侧的多。有机物质可以是任何植物或种子物质，但也可以是细菌培养物或细胞培养物。

本发明基于如下的认识：植物的生长可以通过保持根部所处的土壤在一定的温度之上得到改善。出于这个原因，在农业中使用黑色塑料覆盖土壤，能够通过阳光更加有效地加热塑料下面的土壤。这就增加了土壤的平均温度，从而改进了植物体的生长。按照本发明，不会浪费发光二极管产生的热量。按照本发明的托盘主要向基板而不是向空气传送所产生的热量。托盘起所述基板的底部加热(floor heating)装置的作用。以此方式，基板的平均温度可能高于空气温度。这使园丁能够进一步减小空气的加热或冷却的成本，同时又能保持带有根部的基板的温度在期望的基板温度之上。在托盘内埋入发光二极管使园丁能够在装置内安置更多的托盘。在带有细胞培养物和细菌培养物的基板的实施例中，底部加热功能与照明装置的功能结合也是有益的，其中的基板是从下面加热的，不是经过培养物上方的空气加热的。

在本发明的实施例中，所述结构包括第一部分和第二部分，第一部分的一侧形成托盘的上侧，第二部分的一侧形成托盘的下侧，其中发光二极管固定在第一部分上，第一部分的热导率大于第二部分的热导率。以此方式，热量主要传递到托盘上侧。此外，热导率越高，就有越多的热量在托盘上侧的更大表面上传播，这减小了基板中的温度变化。

在本发明的实施例中，间隙将第一部分和第二部分隔开。这个可能用空气或其它气体填充的间隙用作在第一和第二部分之间的热阻。以此方式，发光二极管产生的热量将通过第一部分传递到托盘的上侧。

在本发明的实施例中，第一部分的材料至少是下述材料中的一种：金属、玻璃、树脂玻璃或塑料。在本发明的另一个实施例中，第二部分的材料至少是下述透光材料中的一种：玻璃、树脂玻璃或塑料。这些特征能够使所提供的托盘在每个生长周期后容易清洗，并且可以保护发光二极管免受湿气和尘土的影响。

在本发明的实施例中，面对第二部分的第一部分的表面是反射性的，这个特征提高了托盘的照明效率。

在本发明的实施例中，所述结构包括一个或多个热管，并且将发光二极管热耦合到一个或多个热管上，这个特征能够使热量从发光二极管很快传递到最低温度的热管。以此方式，托盘均匀地加热基板，这就改善了根的生长。

在本发明的实施例中，热管水平放置，这个特征使热管可以嵌入板内。通过将发光二极管安装在热管的附近，由发光二极管产生的热量将在托盘和基板的接触区的上方更加均匀地传播。此外，这个特征允许对于托盘使用一个热管。热管在托盘的上方可以弯曲，呈现正弦形、螺旋形、或圆形路径。在另一个实施例中，热管可以从托盘的一侧到托盘的另一侧水平延伸。

在本发明的实施例中，将热管设置在底层的上方，这个底层包括允许发光二极管发出的光通过的区域。这个实施例可以改善热量从发光二极管到基板的传递效率。通过将热管设置在底层的上方，增加了热管和土壤的接触面积。必须将发光二极管固定到热管上，以使热管能够高效地将由发光二极管产生的热量传递到土壤。底层包括透明区域，以便允许向位于托盘下面的植物体透过发光二极管产生的光。

在本发明的实施例中，热管是垂直设置的，这个特征减小了基板顶部和基板底部之间的温度差。基板温度变化小，使得基板中根的生长更加均匀，与基板的深度无关。

本发明的另一方面涉及一种苗圃装置，所述苗圃装置包括多个按照权利要求书所述的托盘，所述托盘相互上下放置。

本发明的再一方面涉及有机物质的生长方法，所述方法包括如下步骤：

-为包含基板内的有机物质的苗圃区提供按照本发明的包括多个发光二极管的托盘；以及

-为发光二极管通电，使它们能够向所述基板内的有机物质发光，并且经过所述托盘的结构加热该基板。以此方式，使发光二极管产生的热量不会因加热空气而浪费，而是用于直接地加热了基板。本发明提供用于基板的底部加热系统。通过本发明，可使基板温度高于空气温度。这就意味着，可以降低空气温度，同时可以保持根的生长的最佳基板温度。在这种情况下，可以节省能源。

附图说明

借助实例并参照附图详细描述本发明，其中：

图1表示按照本发明的设有托盘的苗圃装置的透视图；

图2示意地表示本发明第一实施例的剖面图；

图3a和3b示意地表示本发明第二实施例的剖面图；

图4a和4b示意地表示本发明第三实施例的剖面图；

图5a和5b示意地表示本发明第四实施例的剖面图。

具体实施方式

图1表示用支架102构成的苗圃装置100的透视图，支架中容纳按照本发明的托盘104、104’。在支架102中可拆卸地放置托盘104、104’。用基板填充在图1中的托盘104、104’。在基板中，可以插入发芽的种子，或者栽培的植物106可以生长。基板的例子是土壤、盆栽用土(potting compost)、矿物棉或石棉。托盘104、104’在其底部包括多个发光二极管(LED)108。嵌入托盘104’中的发光二极管向托盘104中的植物体辐射光，所述托盘104置于托盘104’的下面。发光二极管的优点是，发光二极管所产生的热量不会在光束中以红外光(IR)的形式辐射出去，这具有光源可靠近植物体放置的优点。在图1中，可以看出，发光二极管均匀地分布在托盘104’的底部上。这就可以为植物体106提供均匀地照明条件。按照本发明，发光二极管产生的热量主要传送到基板上，从而可以保持植物的根在某个温度之上，或者在植物生长或种子发芽的最佳温度。托盘的结构是这样的：它起着底部加热装置和照明装置的作用。由于来自发光二极管的热量主要是加热了基板材料，而不是加热了托盘104和104’之间的空气，所以空气的温度可以降低。这可能导致通常用于加热植物生长空间内的空气的能量减少。这将减少生产植物体所需的成本。

应该注意的是，发光二极管可以是例如当通过在其两端施加电位差或者使电流流过它而被激励时、在电磁谱的任何区域或区域组合(例如可见光区、红外光区和/或紫外光区)发射辐射的任何“发光元件”。因此，发光二极管可能有单色的、准单色的、多色的、或宽带谱发射特性。还有，在单个托盘中，可以使用具有不同波长的发光二极管的组合，一种类型具有对生长最佳的波长，另一类型具有例如对于植物的开花期最佳的波长。发光元件的例子包括半导体、有机物、或聚合物/聚合物的发光二极管、涂以光泵浦磷光体的发光二极管、光泵浦纳米晶体发光二极管、或者任何其它类似的发光器件，这是本领域的普通技术人员容易理解的。

此外，应该注意的是，在支架和托盘中设有电源线。本领域的普通技术人员知道在支架102中和托盘104、104’中如何安装这些电源线和相应的连接。因此，不再更加详细地讨论这个主题。

图2示意地表示按照本发明的托盘200的第一实施例的剖面图。这个托盘包括顶层202和底层206。发光二极管204埋入顶层202和底层206之间。优选地，将发光二极管204固定到顶层202上。这在发光二极管204和顶层202之间提供了良好的热耦合。顶层202可以由如下的材料制成：玻璃、金属、树脂玻璃、塑料、或适合提供用于生长植物并传递热量的托盘的任何其它材料。合适的金属例如是铝，铝是具有良好导热性的轻质材料。在优选实施例中，顶层202包括光反射表面214。光反射表面214增加了经过托盘的底部辐射的光量。通过在植物(有机物质)周围施加白色的塑料膜甚至于可以进一步改善系统的效率，这就改善了托盘200的照明效率。底层206由诸如玻璃、树脂玻璃或塑料的透明材料制成。还有，可以使用一种漫射材料，从而可以产生均匀的发射表面。顶层202和底层206借助间隙203相互隔开。间隙203填充空气或能在顶层202和底层206之间形成热隔离的任何其它适当的气体或液体。以此方式，由发光二极管204向顶层202散发的热量不容易传送到底层，而是被传送到基板210，在所述基板210中有正在生长的植物体208。如果顶层202是由良好的导热材料制成，顶层202将传送热量到基板210，这个热量均匀地分布在与基板接触的接触区216上。以此方式，向托盘200上方的基板210比向托盘200下面的空气将辐射更多的热量。可以使用制造“金属芯印刷电路板”的技术在金属层上安装发光二极管。

顶层的导热性的另一优点是，降低了发光二极管的平均工作温度。工作温度的降低将增加发光二极管的照明效率。此外，平均工作温度的降低将增加发光二极管的寿命。

在发光二极管204和底层206之间的空间可以是最小的。由发光二极管产生的热量在发光二极管的后侧散发，并传送到顶层202。现在在发光二极管204之间形成间隙203的空间在顶层202和底层206之间形成了热阻。底层206可包括设在发光二极管的光束之中的准直器(未示出)。准直器为发光二极管的光束提供期望的光学特性，如光束角度和光轴。

在图2中，托盘包括边缘212，用于保证基板或提供给基板的水不会从托盘200溢出。托盘以及顶侧和底侧的平的表面为托盘提供容易清洗的特性。此外，两层202、206为嵌入的发光二极管204和相应的电子电路提供防水的环境。再有，托盘的顶和底表面不包括电部件。

图3A和3B示意地表示按照本发明的托盘的第二实施例的剖面图。图3B表示垂直于图3A的剖面图的剖面图。托盘300包括设有热管304的层302。发光二极管306固定到热管304的底侧。应该注意的是，不止一个发光二极管可以安装在热管306的底侧。

热管是能迅速把热量从一点传送到另一点的简单装置。由于它们具有超常的热量传送能力并且几乎没有热量损耗，经常称它们为热量的“超导体”。热管的原理是众所周知的，在文献“Experimentalinvestigations of micro heat pipes fabricated in silicon wafers”(Peterson G.P.等人，“Journal of Heat Transfer”，卷115，751-756页，1993年)连同其它文献一道中就描述了热管的原理。简言之，热管是剖面尺寸小的密封细长通道。在另外被抽空的热管内加入液体。细长热管的第一端用作受热端，在这一端吸收热量并蒸发液体。细长热管的第二端用作冷凝器并且连接到散热器，在我们的申请中即基板。在第二端，蒸汽冷凝，复原成液体。蒸汽从第一端穿行到第二端的速率由两端之间的蒸汽压差掌控。通过适当设计通道的大小和形状，在热管第二端形成的液体通过毛细作用力被传送到第一端，在第一端液体再一次蒸发。典型地，热管设有斜剖面或毛细结构，以便加强毛细作用力。毛细结构可包括至少一个以下的结构：凹槽、筛眼、精细纤维、或在热管内侧的烧结粉末。这样，液体作为有效的循环热量传输介质在工作。由于冷却液体只借助毛细作用力传送，所以热管的原理提供了有效的冷却装置，不需要任何泵或类似装置。合适的冷却液体包括甲醇(methanol)、液态氨、和水。为所述申请优化热管的剖面尺寸和详细设计，以提供合适的毛细压力。WO2006/114726A2和WO2006/105638公开了用热管冷却发光二极管的应用。

在第二实施例中的热管304是垂直设置的。在一般情况下，热管将热量传递到热管外表面的最冷位置。因此，热管辐射的热量将在与基板接触的区域均匀地分布。植物体的根在垂直设置的热管之间生长。因此，根从侧面被加热。在这个实施例中，基板温度在水平方向可发生改变，并且在垂直方向的改变最小。这就意味着，根的生长条件相对于基板中根的深度多少有点类似。

在图3的实施例中，热管304穿过基板310，从基板300的底层到顶层。热管304提供用于将基板310固定到托盘300的装置。如果基板例如是由石棉制成的，该石棉可包括预制孔，以便容纳热管304。在另一个实施例中，热管的顶部由基板覆盖。

根据设计，热管的外壳尤其可能有圆筒形、矩形或者其它定制形状。例如，托盘的上表面可以形成井阵列，每个井被设置成包含基板，用于生长一个或多个苗(nursery plants)。在这个实施例中，可将热管正好嵌入每个井侧壁的表面的下面。

图4a和4b示意地表示按照本发明的托盘的第三实施例的剖面图。图4b是垂直于图4a的剖面的剖面。在这个实施例中，热管404在托盘400的底层402的上方沿水平方向延伸。发光二极管406固定到热管404上。在实施例中，热管可相互平行地从托盘的一侧向另一侧延伸，或者，一个热管可曲折地穿过托盘400的整个表面。底层402包括透明区414，以便将发光二极管406产生的光传送到置于托盘400下面的植物体。其它的区域412可以是透明的或者不透明的材料。在实施例中，透明区域414包括准直器，准直器定形发光二极管的光束。优选地，发光二极管按照规则的图案放置在托盘上，以便为托盘提供均匀的照明条件，用于托盘下面的植物体。

在这个实施例中，由发光二极管406产生的热量穿过热管404的外表面均匀地辐射。从下面加热其中生长植物体的基板410。

图5A和5B示意地表示按照本发明的托盘的第四实施例的剖面图。图5B是垂直于图5A的剖面的剖面。这个托盘包括由导热材料构成的顶层502。发光二极管504固定到顶层502的底侧。由发光二极管504产生的热量在顶层502上分布。此外，热隔离层506固定到顶层502的底侧。为了向托盘500下面的植物体传送由发光二极管发射的光，隔离层506包括在发光二极管504位置的孔514。借助这一结构，由发光二极管产生的热量主要经托盘的上表面向基板510辐射，将基板510加热。顶层502的材料的导热性越强，在托盘的上表面上传播的热量越多。在实施例中，孔514包括准直器，准直器确定发光二极管光束的形状。

虽然借助本发明的优选实施例描述了本发明，但要理解的是，这些优选实施例不是限制性的实例。因此，对于本领域的普通技术人员来说，在不偏离由权利要求书确定的本发明的范围的条件下，各种各样的改进都是可以设想得到的。例如，可以将热管嵌入第四实施例的顶层502内，以改善顶层502的导热性。此外，可通过例如用波浪状表面代替平的表面，或者通过向顶层提供延伸上表面的冷却结构如肋，来增加顶层与基板的接触面积。此外，以上给出的实施例示出了具有植物体的托盘。本发明也能有利地用在例如实验室中，用于栽培细胞培养物或细菌培养物。

动词“包括”及其变化形式的使用并不排除存在除了在权利要求中陈述的元件或步骤外的元件或步骤。此外，在元件之前使用冠词“一个”或“一”并不排除存在多个这样的元件。在权利要求书中，在括号之间放置的任何参考符号不得被认为是对权利要求的范围的限制。此外，本发明寓于每一个新颖特征或特征组合之中。

Claims (10)

1.用于生长有机物质的一种托盘，该托盘包括多个发光二极管，所述托盘具有上侧和下侧，上侧被设置成承载用于生长有机物质的基板，下侧被设置成辐射发光二极管产生的光，其中：托盘包括一个结构，所述结构能使托盘在托盘上侧辐射的由发光二极管产生的热量比在托盘下侧的多，

其中所述结构包括第一部分和第二部分，发光二极管固定在第一部分上，第一部分的侧面形成所述上侧，第一部分被配置为通过将发光二极管产生的热量均匀地分布在所述上侧上来将所述热量传送到基板，第二部分的侧面形成托盘的下侧，第一部分的热导率大于第二部分的热导率，其中间隙将第一部分和第二部分分开，在第一部分和第二部分之间形成热隔离。

2.根据权利要求1所述的托盘，其中：第一部分的材料至少是下述材料中的一种：金属、玻璃、或塑料。

3.根据权利要求1所述的托盘，其中：第二部分的材料至少是下述透明或漫射材料中的一种：玻璃或塑料。

4.根据权利要求1所述的托盘，其中：在间隙侧面的第一部分具有反射表面。

5.根据权利要求1-4中任何一项所述的托盘，其中：所述结构包括一个或多个热管，发光二极管热耦合到所述热管上。

6.根据权利要求5所述的托盘，其中：热管水平设置。

7.根据权利要求6所述的托盘，其中：热管被设置在底层的上方，所述底层包括允许发光二极管发射的光通过的区域。

8.根据权利要求5所述的托盘，其中：热管被垂直设置。

9.一种苗圃装置，包括多个根据权利要求1-8中任何一项所述的托盘，其中托盘相互上下设置。

10.生长有机物质的方法，包括如下步骤：

-为包含基板中的有机物质的苗圃区提供根据权利要求1-8中任何一项所述的、包括多个发光二极管的托盘；

-给发光二极管通电，使发光二极管向所述基板中的有机物质发光，并且通过所述托盘的结构加热所述基板。

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