JP2009527083A - 植物の成長を刺激する照明デバイスおよび照明システム - Google Patents

Abstract

本発明は、植物の成長を刺激する照明デバイスに関する。照明デバイスは、予め定められた波長範囲内の少なくとも１つの波長の光を放射するのに適した、固体の光源（６）を有する。さらに、固体の光源（６）は、電気ネットワーク（１０）への接続に適合されている。固体の光源は、冷却媒体に接触している。この冷却媒体は、−５０℃と０℃との間の温度範囲における温度を有する。
【選択図】 図２

Description

説明

本発明は、予め定められた波長範囲内の、少なくとも１つの波長の光を放射するのに適した、少なくとも１つの固体の光源を備える、植物の成長を刺激する照明デバイスに関し、少なくとも１つの固体の光源は、電気ネットワークへの接続に適合されている。

濃い赤色光における、植物成長のための光合成プロセスは、クロロフィルＡによる６６２ｎｍのピーク波長を有する光の吸収と、クロロフィルＢによる６４２ｎｍのピーク波長を有する光の吸収とに基づいている。一般に、赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）は、ＬＥＤの中で最も高い効率、すなわち、ワット当たりの比較的高い放射力を有し、放射されない電力は、熱に変換される。

しかしながら、赤色ＬＥＤの光産出量は、接合点の温度の上昇、すなわち、ＬＥＤのＰＮ半導体材料の接合点における温度の上昇とともに激減する。この理由から、ＬＥＤは、ほとんど冷却エレメント上に取り付けられている。

２０℃から７５℃へのＬＥＤの半導体の接合点の温度上昇とともに、光の産出量は、少なくとも２つの要因により減少することが示されている。

とりわけＡｌＧａＩｎＰ（アルミニウムインジウムガリウムリン）タイプの赤色ＬＥＤは、例えば、ＩｎＧａＮ（インジウム窒化カリウム）タイプの、例えば、緑色および青色ＬＥＤより、温度変化に対してかなり敏感である。ＡｌＧａＩｎＰのＬＥＤの材料の利点は、寿命が極めて長いことであり、すなわち、通常の条件の下では、このような材料は、１００，０００時間の寿命を有する。

日本の特許出願ＪＰ２００３００９６６２およびＪＰ２００４１１３１６０、ならびに米国特許公報ＵＳ６９２１１８２は、植物の成長のためのＬＥＤの適用を記述している。そこでは、特に、赤色ＬＥＤが使用されている。これらの特許公報のすべてにおいて、低い電力のＬＥＤが使用され、このケースでは、おおよそ６０ｍＷの電力である。これらのＬＥＤのキャリアの温度は、急速に上昇するかもしれず、その結果として、適用の効率および範囲は、植物の成長に適合されたガス放電ランプを有する現在の同化照明よりも大きく下回る。例えば、６００Ｗの標準ナトリウムランプのタスクにとって代わるためには、１０，０００個のこのようなＬＥＤを使用しなければならない。

したがって、温室におけるＬＥＤの大規模な適用は、０．５Ｗの、またはより大きい、かなり多数のパワーＬＥＤを要求する。このようなＬＥＤは、多量の熱を生成させる。それゆえに、このようなＬＥＤのためのキャリアには、パワーＬＥＤにより発生された熱を放射するように適合された部分が設けられている。半導体冷却のためのよく知られている技術は、ＬＥＤがプレートとすぐれた熱接続を築くように、プレート上にＬＥＤを取り付けることである。そして、プレートは、吸収した熱を放射できるデバイスに接続されている。このような熱放出システムにおいて、発生した熱は、熱伝導を使用するプレートにより、熱放射のための場所に伝導され、そして、後に、放熱を使用して、周囲に放散される。このような熱放射システムは、キャリアの温度を減少させるが、これでは、一般的に、まだ不十分である。

本発明は、最新技術のデバイスと比較して、植物の成長を刺激する照明デバイスに対して、より効率的な熱放射を提供することを目的とする。

したがって、本発明にしたがう照明デバイスは、少なくとも１つの固体の光源が冷却媒体と接触しているという特徴を備え、冷却媒体は、−５０℃と０℃との間の、好ましくは、−５０℃と−２０℃との間の温度範囲における温度を有する。したがって、照明デバイスは、冷却された固体の光源を備える。光源を冷却することにより、照明デバイスの効率が向上する。１つの実施形態において、照明デバイスには、第１のチューブがさらに設けられており、第１のチューブの少なくとも一部分は、予め定められた波長範囲からの光に対して透明であり、少なくとも１つの固体の光源は、第１のチューブ中に位置付けられている。少なくとも１つの固体の光源のこのような位置付けは、さらなる保護を提供する。

その１つの実施形態において、第１のチューブは、冷却媒体を受け取るのに適しており、第１のチューブには、冷却媒体をそれぞれ供給および放出するための供給開口部および放出開口部が設けられている。照明デバイスには、第１のチューブより大きい直径を有する第２のチューブがさらに設けられており、そして、第２のチューブが第１のチューブを囲むように位置付けられている。第２のチューブは、予め定められた波長範囲からの光に対して、少なくとも部分的に透明である。この実施形態において、少なくとも１つの光源が、冷却媒体により、直接冷却される。第１および第２のチューブの間の空間は、例えば、窒素のような、適切な不活性ガスで満たして、内部チューブ１上での結露または氷の形成を防ぐことができる。

その別の実施形態において、照明デバイスには、第１のチューブよりも小さい直径を有する第３のチューブがさらに設けられており、そして、第３のチューブが第１のチューブにより囲まれるように位置付けられている。第３のチューブは、冷却媒体を受け取るのに適した金属チューブであり、第３のチューブには、冷却媒体をそれぞれ供給および放出するための供給開口部および放出開口部が設けられている。ここで少なくとも１つの固体の光源が、第１および第３のチューブの間で、第３のチューブと接触するように位置付けられている。前の実施形態とは異なり、少なくとも１つの固体の光源と冷却媒体との間には、直接的な接触はなく、それにより、特に、少なくとも１つの固体の光源の接続部分がはんだ付けされている場合、冷却媒体において、少なくとも１つの固体の光源の接続部分の溶解が妨げられる。このような溶解は、接続の破裂を生じさせるかもしれず、または、冷却媒体を混濁させるかもしれない。第３のチューブは、銅および／またはアルミニウムのような金属を含んでいてもよい。このような金属は、すぐれた電導体であり、第３のチューブが確実に電気接続としての役割を果たすことができる。したがって、第３のチューブは、電気ネットワークと、少なくとも１つの光源の第１の接続を形成してもよい。このようなケースにおいて、照明デバイスには、金属のストリップがさらに設けられていてもよく、金属のストリップは、第３のチューブから電気的に絶縁されており、金属のストリップは、電気ネットワークと、少なくとも１つの光源の第２の接続を形成する。

上述の両方の実施形態において、照明デバイスは、第２のチューブまたは第３のチューブに関して、ある予め定められた距離で第１のチューブを維持するスペーシング手段をさらに備えることができる。このようにして、互いに対して制御された方法で、チューブを整列させてもよい。

少なくとも１つの固体の光源は、ＬＥＤとすることができる。このような光源は、放散により、非常に高い温度に到達することなく、植物の付近に位置付けられてもよい。ＬＥＤは、３０°と９０°との間の開口角度を備えていてもよい。この角度は、放射される光を誘導する可能性を提供する。ＬＥＤは、セラミックの基板上に取り付けられていてもよい。

本発明において非常によく選ばれる光源は、例えば、赤色ＬＥＤのような、６４０ないし７００ｎｍの間の光を放射することに適した光源である。特に、このようなＬＥＤの機能に対する最適の温度は、−４０℃と−２０℃との間の範囲である。適切な冷却媒体は、二酸化炭素とアルコールとを含む。

本発明はさらに、温室において植物の成長を刺激する照明システムに関し、照明システムは、１つより多いチューブを有する、上述の実施形態のうちの１つにしたがった複数の照明デバイスと、入力および出力が設けられた、冷却媒体を冷却するように適合された冷却システムとを備える。ここで、冷却媒体を受け取り、移送するように適合されている、複数の照明デバイス中のチューブは、冷却システムの入力および出力に接触する循環チャネルを形成し、複数の照明デバイスの照明デバイス毎の少なくとも１つの固体の光源は、互いに対して並列に、電気的に接続されている。

本発明はさらに、上述したような照明デバイスを製造する方法に関し、その方法は、第１のチューブを設けることと、第２のチューブと第３のチューブとのうちの少なくとも１つを設けることと、第２のチューブと第３のチューブとのうちの少なくとも１つに関して、第１のチューブを位置付け、それにより両方のチューブのうちの一方は、他方のチューブにより囲まれることと、両方のチューブの間にスペーシング手段を導入して、両方のチューブの相互の位置を固定することと、少なくとも１つの固体の光源が冷却媒体と接触するように、少なくとも１つ固体の光源を、第１のチューブ中に位置付けることとを含み、照明デバイスが用いられているとき、冷却媒体は、両方のチューブのうちの１つの中に位置している。

その１つの実施形態において、チューブを設けること、第２のチューブと第３のチューブとのうちの少なくとも１つに関して、第１のチューブを位置付けること、スペーシング手段を導入することとは、押し出し成形を使用して、同時に行われる。

最後に、本発明はさらに、上述したような照明デバイスを使用する方法に関し、方法は、−５０℃と０℃との間の、好ましくは、−５０℃と−２０℃との間の温度範囲における温度に、少なくとも１つの光源を冷却することを含むことを特徴とする。

以下、図面を使用して、例により、本発明をさらに説明する。図面は、本発明の範囲を限定するように向けられておらず、本発明を図示するに過ぎない。

図１は、ＬＥＤの相対光産出量がＬＥＤにおける半導体の接合点上の温度の関数としてプロットされているグラフを示す。このグラフから、示したＬＥＤのタイプ、すなわち、赤色（点線）、赤橙色（灰色の実線）、および琥珀色（黒の実線）に対して、光の産出量は、半導体の接合点、以下、接合点と呼ぶ、の温度とともに急速に減少するように思われる。しかしながら、図１中のグラフから、温度が下げられるとき、特に、２０℃より低い温度において、光の産出量は、急速に増加するという結論を下してもよい。

図２は、本発明にしたがう、照明デバイスの第１の実施形態の断面図を示す。照明デバイスは、例えば、１つ以上のＬＥＤ６のような、少なくとも１つの固体の光源を冷却する冷却デバイスを備える。冷却デバイスは、内部チューブ１と外部チューブ２とを備え、チューブ１、２の両方は、１つ以上のＬＥＤにより放射される光に対して透明である。内部チューブ１および外部チューブ２は、例えば、スペーシングディスク４のようなスペーシング手段の、接点５を使用して、互いに接続されている。ここで接点５は、一定の距離で内部チューブ１に接触することが好ましい。内部チューブ１は、冷却媒体で部分的にまたは全体的に満たされており、冷却媒体は、例えば、グリコール、アルコール、または液体二酸化炭素（ＣＯ₂）のような、適切な凝固温度を有する冷却液、あるいは、例えば、（ＣＯ₂）ガスまたは空気のような、ガスである。内部チューブ１において、以下、単にＬＥＤ６として示す、１つ以上のＬＥＤ６が位置付けられており、ＬＥＤ６は、内部チューブ１中で自由に接続されるように位置付けられていてもよい。ＬＥＤ６は、周囲の適切な照明をもたらす電気回路の一部分であり、特に、植物の成長を刺激する。

ＬＥＤ６は、３０°から９０°までの開口角度を有することが好ましい。制限された開口角度のため、ＬＥＤにより生成される光をほとんど作物だけに向けることができ、したがって、作物に当たるように到達しない光の量が、最小限に制限される。最適の開口角度を決定するときに、放射電力の強度は、開口角度の減少量の２乗にともない増加するという事実を考慮に入れてもよい。

冷却媒体の低い温度を考慮して、冷却媒体においてＬＥＤ６は、図２中で示したように位置付けられ、追加の冷却エレメントとして使用できる、ＬＥＤ６に対するキャリア７は、厳密には、必要でない。内部チューブ１上での結露または氷の形成を防ぐために、内部チューブ１と外部チューブ２との間の空洞８は、例えば、窒素のような適切な不活性ガスで満たすことができる。内部チューブ１と外部チューブ２との間の接点５は、伝熱による熱損失を最小にするために、できるだけ小さくなければならない。

図２において、スペーシングディスク４が、スペーシング手段として示されており、スペーシングディスクは、内部チューブ１に接触し、そして、外部チューブ２に接触する接点５を備えている。しかしながら、当業者に知られているように、スペーシングディスクが外部チューブ２に接触し、内部チューブ１に接触する接点５を備えるスペーシングディスクを設計することも可能である。

この実施形態において、ＬＥＤ間の電気的接続だけでなく、外部の電気ネットワークとの接続は、例えば、銅のような、導電性のワイヤを使用する縦続接続により形成される。

図３は、本発明にしたがう照明デバイスの第２の実施形態の断面図を示しており、照明デバイスには、例えば、１つ以上のＬＥＤ６のような、少なくとも１つの固体の光源を冷却する冷却デバイスが設けられている。この冷却デバイスもまた、内部チューブ１と外部チューブ２とを備えており、チューブ１、２の両方は、ＬＥＤ６により放射される光に対して透明である。再度説明すると、内部チューブ１および外部チューブ２は、例えば、スペーシングディスク４のようなスペーシング手段の、接点５を使用して、互いに接続されていてもよい。ここで接点５は、一定の距離で内部チューブ１に接触することが好ましい。

図２中で示した照明デバイスと異なり、以下でＬＥＤ回路１０と呼ぶ、電気回路の一部分を形成するＬＥＤ６は、金属冷却チューブ１１上に取り付けられている。金属冷却チューブ１１の金属は、銅（Ｃｕ）および／またはアルミニウム（Ａｌ）のような材料を含んでいてもよい。ＬＥＤ回路８は、はんだ接続を使用して、金属冷却チューブ１１上に直接取り付けることができる。しかしながら、プリント回路を有し、金属冷却チューブ１１と接触しているセラミックのストリップすなわちセラミック基板上に、ＬＥＤ回路１０を取り付けることも可能である。例えば、冷却液または冷却されたガスのような、冷却媒体が、冷却チューブを流れる。冷却媒体は、例えば、冷却されたＣＯ₂ガスなどである。

冷却を提供することに加えて、金属冷却チューブ１１は、（示していない）電気ネットワークに対するＬＥＤ回路１０の第１の接続のための電気ケーブルとして、さらに動作してもよい。温室中のかなり多数の植物に光を当てるような、多くの適用において、比較的大きな電力が必要であるため、金属冷却チューブ１１は、十分厚い必要がある。温室のサイズのため、１００アンペアまたはより大きいアンペアの電流となるのも例外ではない。おおよその目安として、銅ケーブルに対して、１ｍｍ²の断面当たり１０アンペアの流れを処理できると言える。−３０℃のような低い温度では、抵抗率は低く、例えば、−３０℃では、室温での抵抗率よりも、おおよそ２５％低い。したがって、この温度では、少なくとも１ｍｍ²当たり１２．５アンペアを考えるべきである。ここでのケースであるように、チューブがさらにアクティブに冷却される場合、例えば、２５Ａ／ｍｍ²のような、さらに高い電流密度を扱うことが可能である。

照明デバイスのこの実施形態において、冷却チューブ１１上のＬＥＤ回路８だけが、例えば、−３０℃の温度に冷却されるため、冷却デバイスの内部チューブ１中の残りの空間は、例えば、窒素のような適切なガスで、または、視界のライン、すなわち、ＬＥＤから発生する光が存在する部分を除いて、例えば、ポリウレタンのような絶縁泡で満たすことができる。特に、冷却媒体が冷却液に関する場合、図３中で示したような照明デバイスは、ＬＥＤと冷却媒体との間に直接の接触がないという利点を有する。そのケースにおいては、ＬＥＤの接続の部分は、特に、それらがはんだ付けされている場合、冷却媒体中で溶解する確率が高く、その結果として、接続の破裂または冷却媒体の混濁が生じる。さらに、図３中で示した照明デバイスは、図２中で示した照明デバイスよりも、よりすぐれた熱絶縁を提供する。

図２および３中で示した照明デバイスにおいて、別々のコンポーネント、または、例えば、内部チューブ１と、外部チューブ２と、１つ以上の距離ディスク４との組み合わせのような、コンポーネントの組み合わせは、押し出し成形を使用して形成できる。もちろん、内部チューブ１および外部チューブ２は、別々に、そして引き続いて、互いに滑り込ませるように形成してもよい。１つまたは２つのチューブの部品を有する実施形態が選ばれるかどうかは、それぞれの冷却エレメントの全長に沿って吸収される、収縮／膨張の変化量に左右される。

図４は、図３中で示した実施形態における、ＬＥＤ回路１０と、金属冷却チューブ１１の可能な接続を詳細に示す。図４中で示した接続により、ＬＥＤ回路１０は、第２の電気的接続を介して、（示していない）電気ネットワークとさらに接続される。例えば、第２の電気的接続は、例えば、銅および／またはアルミニウムの、金属のストリップ１５の形態を有する。第１の電気的接続、すなわち金属冷却チューブ１１と、第２の電気的接続との間に、ガルヴァニックの分離が存在することを確実にするために、例えば、適切なプラスチック製の、電気的に絶縁しているクリップ１６が、接続１１、１５の両方の間に導入される。プラスチックの電気的に絶縁しているクリップ１６もまた、押し出し成形技術を使用して製造できる。

多くの適用において、異なるチューブ１、２、１１のうちの１つ以上が、チューブエレメントから構築される場合、便利である。図３中で示した照明デバイスでは、金属冷却チューブ１１は、冷却チューブエレメントを結合することにより形成されてもよい。さらに、この結合により、導電性の接続が得られる。金属冷却チューブ１１は、例えば、２２Ｖの直流または交流で動作する（示していない）電気ネットワークと接続される。金属冷却チューブ１１は、１つ以上のＬＥＤ回路８と、第１の電気的接続を形成する。第２の電気的接続は、上述した方法と同一の方法で適用されてもよい。再度説明すると、金属冷却チューブ１１の厚さは、使用される電流および材料の力に左右される。いくつかの結合エレメントの電気的に並列な結合を使用することにより大きな電力を使用するときには、十分厚い金属冷却チューブ１１が必要である。上述したように、おおよその目安として、銅管に対して、１ｍｍ²の断面当たり１０アンペアの流れを処理できると言える。−３０℃のような低い温度では、抵抗率は低く、例えば、−３０℃では、おおよそ２５％低い。したがって、この温度では、少なくとも１ｍｍ²当たり１２．５アンペアを考えるべきである。ここでのケースであるように、チューブがさらにアクティブに冷却される場合、例えば、２５Ａ／ｍｍ²のような、さらに高い電流密度を扱うことが可能である。

図５は、図３中で示した照明デバイスの側面図を示し、ここで金属冷却チューブ１１は、異なる冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂを備えている。さらに、示した実施形態において、内部チューブ１および外部チューブ２は、セグメントに分割される。図３中で示した断面図は、ラインＩＩＩ−ＩＩＩにしたがう、照明デバイスを通る断面により作成できる。

図５において、異なる冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂが、結合の手段により、互いに結合されていることも示されている。冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの結合と、それゆえに、それぞれ、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂに接続されているＬＥＤ回路１０ａ、１０ｂの接続とは、例えば、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの終端で、適合された形状を使用することにより、実現できる。

図５中で示したケースにおいて、金属冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂは、図４中で示したようなものである。次いで、図４中で取り囲まれたエリアＢに対応する終端から、例えば、おおよそ２ｃｍまでの部分が、これらの冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂから取り除かれている。次いで、残りの実質的に丸い終端は、例えば、導電性の結合チューブを使用して、互いに結合できる。そのケースにおいて、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂが接触するまで、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの終端は、図５中の矢印により示される互いの方に動かされる。次いで、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂは、例えば、ホースクリップのような、１つ以上の締結手段により、耐圧性があるように締めることができる。このようにして、いくつかのタイプの接続を形成できる。それゆえに、冷却媒体が周囲に漏れることが望ましくないとき、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの間に示したスリットは、このような結合において存在しない。

第１のタイプの結合３１により、図４に関して記述したように、電気ネットワークと第１の電気的接続２２を提供するために、１つ以上のホースクリップのうちの１つが、電気ネットワークに電気的に接続される。図４に関して記述したように、ＬＥＤ回路１０ａ、１０ｂに対して、電気ネットワークと第２の電気的接続２３をもたらすために、金属のストリップ１５が、例えば、ねじ２０のような締結手段により、取り付けられている。類似の方法において、さらに冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂが、互いに結合されてもよい。結合は、例えば、銅、およびゴムのような、金属のシールによる適切な結合により生じる。結合の接続全体を適切に絶縁することにより、例えば、ポリウレタンのような、適切な絶縁体材料２１により、氷および／または霜の形成を防いでもよい。図５中で示したものとは異なり、冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂと同じように、金属のストリップ１５が、相互に接続されていてもよいことが明らかである。しかしながら、このような接続は、他のエレメントに関して混乱を避けるために示していない。

（別に示していない）第２のタイプの接続３２により、２つの冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂは、図５中で示した方法と同一の方法で、互いに接続される。しかしながら、このタイプの場合、電気ネットワークと直接の接続はない。一方、金属のストリップ１５は、ＬＥＤ回路１０ａと接続され、金属のストリップ１５は、ＬＥＤ回路と電気的に接続される。冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂは両方とも導電性であるので、それらもまた、並列に、電気的に接続される。

第３のタイプの結合３３、すなわち、互いに結合された直列の冷却チューブエレメントの、終端結合に対して、図６中に示すように、終端エレメントを使用することができ、終端エレメントは、チューブ１、２に適合するのに適している一方の終端にあり、そして終端エレメントは、１つ以上の絶縁された接続ホース２５に結合するのに適し、冷却システムと、別の電気ケーブル２６、２７とに対する接続に適し、電気ネットワーク４０に対する接続に適している他方の終端にある。それゆえに、このような終端部分は、それが電気供給にかかわるときは終端部分であるが、冷却にかかわるときは、当業者に知られているように、そして、図７中で示すように、冷却媒体を循環する必要があるので、終端部分ではない。

別の電気ケーブル２６、２７に対する冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの接触により、できるだけ損失が生じないように、別の電気ケーブル２６、２７は、熱的に十分絶縁していることが好ましい。

図７は、上述した照明デバイスの実施形態を備える、温室中で植物の成長を刺激する照明システムを示す。このように、照明システムは、直列の結合された冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂを備えている。見て分かるように、上述したすべてのタイプの結合３１、３２、３３が存在している。照明システムは、冷却媒体を冷却するように適合された冷却システム４１をさらに備えている。冷却システム４１には、少なくとも１つの入力と、少なくとも１つの出力とが設けられている。冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂのような冷却チューブエレメントは、互いに直列に接続され、それにより、冷却チューブエレメントは、冷却システムの少なくとも１つの入力と少なくとも１つの出力とに接触して循環チャネルを形成する。ＬＥＤ回路１０ａ、１０ｂもまた、互いに関して並列に、電気的に接続されることに注目すべきである。

ＬＥＤ回路１０は、いくつかの方法で実現できる。以下の説明において与えられるいくつかの考察は、ＬＥＤ回路１０の、ある実施形態の選択において役割を果たすかもしれない。電気的な安全域内にとどまるために、例えば、２４Ｖの、またはより低い電圧のような、低い電圧の使用が好ましい。濃い赤色光における、植物成長のための光合成プロセスは、クロロフィルＡによる６６２ｎｍのピーク波長を有する光の吸収と、クロロフィルＢによる６４２ｎｍのピーク波長を有する光の吸収とに基づいている。それゆえに、このような波長を生成させるＬＥＤの使用が好まれる。十分な光を発生させるために、高いルミネセンスを有するＬＥＤが、特に適している。このようなＬＥＤの例は、いわゆるパワーＬＥＤである。

赤色パワーＬＥＤの平均電圧は、２．２ボルトである。それゆえに、２２ボルトの（直流または交流）電圧を使用するときに、１０個の赤色パワーＬＥＤを直列に接続できる。上述した照明デバイス内で、後方向における非常に大きな負荷を防ぐために、交流電圧に対する接続に対して、ＬＥＤは、直列ブリッジで接続できることが好ましい。

上述した冷却チューブエレメントを結合することにより、自動的に、直列回路が形成され、自動的に、別個の冷却エレメントが、並列に電気的に接続される。

図８は、可能なＬＥＤ回路１０の概略図を示す。このＬＥＤ回路１０において、６０個のＬＥＤがブリッジで接続されている。０．７７ＷのパワーＬＥＤを使用すると、パワーＬＥＤを通る標準的な電流が３５０ｍＡに達し、２２ボルトの電圧および２．１アンペアの電流で、４６．２Ｗの発生電力を、１つの冷却エレメント内にもたらす。冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂの長さに依存して、単一の冷却チューブエレメント１１ａ、１１ｂ中で２３１Ｗの、またはより大きい回路を実現することが可能である。

オランダ特許出願１０２７９６０に記述されているように、接続されたＬＥＤブリッジは、回路の信頼性および寿命が増加する回路をもたらす。さらに、多くの化学的プロセスに対して、寿命は、１０℃の各温度低下に対して、おおよそ３倍に増加する。エージングプロセスを含む化学反応は、次の値に比例するスピードで進行するという事実が使用される。

ここでＴは、ケルビンにおける温度であり、ｋは、（気体定数Ｒをアボガドロ数で除算した）ボルツマン定数であり、ΔＨは、活性化エネルギーである。

ＵＳ特許公報６，９２１，１８２中で読むことができるように、植物の成長を促進させるＬＥＤの適切な構成は、６００ｎｍおよび７００ｎｍの間の光を放射する赤色ＬＥＤと、おおよそ４７０ｎｍの波長を有する光を放射する青色ＬＥＤとの組み合わせである。ここで、赤色光の比率は、青色光の比率より大きい。青色ＬＥＤの代替として、ことによると、ガス放電ランプも使用できる。青色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤよりも効率が劣るだけでなく、温度に対する敏感性もかなり劣る。上述した冷却デバイスに加えられる熱エネルギーの量は、本デバイスの効率を乱す。青色ＬＥＤは、赤色ＬＥＤを有する冷却システム以外の別の電気回路中で適用されることが好ましい。

６００ないし７００ｎｍの波長において、放射されるエネルギーの可視部分は、例えば、大部分が５８０ｎｍである、ナトリウムの生育用ランプにより放射される光よりもかなり小さい。“Ｃ．Ｉ．Ｅ．明所視発光効率関数１９８８”にしたがう、いくつかの波長における、感知できるルーメンでの光産出量を、表１にリスト表示する。

表１から、６３０ｎｍでは、感知できる光産出量は、昼光における感知できる光産出量のわずか２６．５％にしか達しないことが認識できる。６６０ｎｍでは、これは、さらに、６．１％であり、６９０ｎｍでは、昼光における感知できる光の産出量のわずか１％しか得られない。

温室における同化照明のためのランプは、通常の昼光に加えて、短日間のさらなる照明に対して向けられている。多数のケースにおいて、成長に対して必要とする量は、昼光からすでに吸収されているので、青色光は省略できる。さらに、赤色ＬＥＤは、植物の開花を得るのに非常に適している。

特に、オランダのような人口稠密地域において、重要な観点は、生育用の光が、かなりの光の公害を生じさせることがあるとういことである。それゆえに、温室の外で感知できると認められる光の量に対して、法的規制が適用される。

表１から分かるように、６９０ｎｍの波長を有する赤色ＬＥＤは、より短い波長を有するＬＥＤと同量の放射電磁力を使用した場合、１％の可視光を照射するだけである。

光合成に対して前に述べたように、６００ないし７００ｎｍの範囲における分光分布が、最適のクロロフィルＡおよびＢの吸収のために必要である。

さらに、いくつかの波長を有するＬＥＤの最良の分布は、作物のタイプに左右される。例えば、ＮＡＳＡ（米国）の研究は、表２中に組み込まれている以下の結果を提供している。

ＣＯ₂のほとんどは変換され、バイオマス（生物量）の最も高い量は、６４０ｎｍと６９０ｎｍとの間の波長において生成されているように見える。６９０ｎｍを超えると、ＣＯ₂の変換（光合成）と、生成されるバイオマスとの両方は、急速に減少する。７０５ｎｍにおいて、両方のプロセスは、ほとんど無視できるほどである。いくつかの波長を有するＬＥＤの適切な組み合わせの構成において、ＬＥＤの好ましい組み合わせ、いわゆるＬＥＤモジュールを取得でき、ＬＥＤモジュールにおいては、およそ６６２ｎｍの波長、すなわち、クロロフィルに対する最大吸収波長、を有するＬＥＤの比率が、６４０ないし７００ｎｍの赤色スペクトルをカバーするＬＥＤの総数のおおよそ７５％を占めることが示されている。

ＬＥＤの最適な組み合わせを選択するとき、すなわち、ＬＥＤモジュールを構成するとき、温度を下げる結果として、ＬＥＤの主な波長はシフトするという事実を考慮に入れるべきである。赤色ＬＥＤに対して、ＬＥＤの接合点の温度におけるシフトΔＴ_jに対する波長のシフトΔλは、ほぼ０．０５Δλ／ΔＴ_j ｎｍ／℃である。それゆえに、５０℃だけ接合点の温度を下げること、ΔＴ_j＝５０は、より短い波長の方向に、２．５ｎｍの、放射の波長シフトΔλをもたらす。

約−３０℃の温度に冷却されるとき、上の基準にしたがって構成されるＬＥＤモジュールは、２倍になる電磁（光）エネルギーを放射することが示されている。このような温度において、赤色ＬＥＤの適切な選択により、この電磁（光）エネルギーの約５０％が光に変換され、５０％が熱に変換される。

温室中の同化照明として適用されるとき、温室のサイズ次第では、何千というＬＥＤを必要とするかもしれない。すべてのＬＥＤが、２．２Ｖの電圧と、３５０ｍＡの電流とで動作される場合、発生される電力は、ＬＥＤ１つ当たり０．７７Ｗに達する。したがって、上述したような変換のパーセンテージ、すなわち、−３０℃の温度における、５０％の光、５０％の熱、の発生において、これらの０．７７Ｗの半分は、発生された熱として、熱ポンプを使用して放散する必要がある。３０℃の周囲温度において、−３０℃に冷却することは、６０℃の温度差ΔＴをもたらす。熱力学第二法則にしたがって、熱を取り除くために、熱エネルギーのおよそ２２％が必要である。したがって、１０００個のＬＥＤを使用するとき、これは、理論上では、３８５ワットの２２％＝８５ワットに対応する。このような電力を取り除くための冷却デバイスは、極低温技術において知られている技法を使用する平均的な当業者により設計できる。それゆえに、さらに説明しない。

ＬＥＤは、光を必要とする所に正確に光を導く可能性を提供するが、光を必要とする所に正確に光を導くことは、高圧力のナトリウムランプのような、一般に使用される先行技術の同化照明では、はるかに難しい。

このようなランプは、４００ないし６００Ｗのエネルギー消費を有する。これらのランプにより生成される熱のため、これらのランプは、作物の燃焼を防ぐために、作物より上に、例えば、最小１８０ｃｍのようなかなりの距離にとどまらなければならない。

さらに、作物に光を当てる電磁放射の強度は、光源と作物との間の距離の２乗とともに増加する。それゆえに、高圧力のナトリウムランプを使用するとき、これらが作物に関して、より長い距離に置かれるという事実は、これらの作物の、より効力の劣る照明を招来だろう。成長のために発生されたエネルギーの多くは、作物に隣接する場所に光を当てるだろう。

高圧力のナトリウムランプと異なり、ＬＥＤは、作物のすぐ上に位置付けてもよく、後に、平均的な当業者に知られている置換技術を使用して、作物の成長とともに移動してもよい。したがって、より効率的な作物の照明を得ることができる。

さらに、レンズおよび鏡のような、最適なエレメントを使用して、ＬＥＤからの光を特定の場所に導くことが可能である。それゆえに、到達することが困難なエリアに光を導くことが可能になる。

上の記述は、本発明の多数の可能な実施形態だけを記述する。本発明の多くの代替実施形態を考えることができ、多くの代替実施形態は、本発明の範囲内で構成されることを認識することは容易である。これらは、結果により規定される。

図１は、ＬＥＤの相対光産出量が、ＬＥＤ中の半導体接合点上の温度の関数としてプロットされているグラフを示す。 図２は、本発明にしたがう照明デバイスの第１の実施形態の断面図を示す。 図３は、本発明にしたがう照明デバイスの第２の実施形態の断面図を示す。 図４は、図３中で示した照明デバイスの実施形態の詳細を示す。 図５は、図３中で示した照明デバイスの実施形態における、冷却チューブエレメントの結合のタイプの側面図を示す。 図６は、図３中で示した、冷却チューブエレメントの結合のタイプと接続ホースとを示す。 図７は、照明デバイスの実施形態を備える照明システムを示す。 図８は、本発明において使用するための、可能なＬＥＤ回路の概略図を示す。

Claims (18)

1. 予め定められた波長範囲内の少なくとも１つの波長の光を放射するのに適した、少なくとも１つの固体の光源を具備し、
   前記少なくとも１つの固体の光源は、電気ネットワークへの接続に適合されている、植物の成長を刺激する照明デバイスにおいて、
   前記少なくとも１つの固体の光源は、冷却媒体と接触しており、前記冷却媒体は、−５０℃と０℃との間の、好ましくは、−５０℃と−２０℃との間の温度範囲における温度を有することを特徴とする照明デバイス。
2. 前記照明デバイスには、第１のチューブがさらに設けられており、前記第１のチューブの少なくとも一部分は、予め定められた波長範囲からの光に対して透明であり、
   前記少なくとも１つの固体の光源は、前記第１のチューブ中に位置付けられていることを特徴とする結果１記載の照明デバイス。
3. 前記第１のチューブは、前記冷却媒体を受け取るのに適しており、そして、前記冷却媒体をそれぞれ供給および放出するための供給開口部および放出開口部が設けられており、
   前記照明デバイスには、前記第１のチューブより大きい直径を有する第２のチューブがさらに設けられており、そして、前記第２のチューブが第１のチューブを囲むように位置付けられており、
   前記第２のチューブは、予め定められた波長範囲からの光に対して、少なくとも部分的に透明であることを特徴とする結果２記載の照明デバイス。
4. 前記照明デバイスには、前記第１のチューブよりも小さい直径を有する第３のチューブがさらに設けられており、そして、前記第３のチューブが前記第１のチューブにより囲まれるように位置付けられており、
   前記第３のチューブは、前記冷却媒体を受け取るのに適した金属チューブであり、そして、前記冷却媒体をそれぞれ供給および放出するための供給開口部および放出開口部が設けられており、
   前記少なくとも１つの固体の光源は、前記第１および前記第３のチューブの間で、前記第３のチューブと接触するように位置付けられていることを特徴とする結果２記載の照明デバイス。
5. 前記第３のチューブの金属は、銅および／またはアルミニウムを含んでいることを特徴とする結果４記載の照明デバイス。
6. 前記第３のチューブは、前記電気ネットワークと、前記少なくとも１つの光源の第１の接続を形成することを特徴とする結果４または５記載の照明デバイス。
7. 前記照明デバイスには、金属のストリップがさらに設けられており、
   前記金属のストリップは、前記第３のチューブから電気的に絶縁されており、前記電気ネットワークと、前記少なくとも１つの光源の第２の接続を形成することを特徴とする結果６記載の照明デバイス。
8. 前記照明デバイスは、前記第２のチューブまたは前記第３のチューブに関して、ある予め定められた距離で前記第１のチューブを維持するスペーシング手段をさらに具備することを特徴とする結果３ないし７のいずれか１項記載の照明デバイス。
9. 前記少なくとも１つの固体の光源は、ＬＥＤであることを特徴とする結果１ないし８のいずれか１項記載の照明デバイス。
10. 前記少なくとも１つのＬＥＤは、３０°と９０°との間の開口角度により光を放射するように適合されていることを特徴とする結果９記載の照明デバイス。
11. 前記少なくとも１つのＬＥＤは、基板を通して前記冷却媒体と接触しており、
    前記基板は、セラミックを含んでいることを特徴とする結果９または１０記載の照明デバイス。
12. 前記温度は、−４０℃と−２０℃との間の範囲であることを特徴とする結果１ないし１１のいずれか１項記載の照明デバイス。
13. 前記予め定められた波長は、６４０ないし７００ｎｍの間の範囲であることを特徴とする結果１ないし１２のいずれか１項記載の照明デバイス。
14. 前記冷却媒体は、二酸化炭素と、グリコールと、アルコールと、のうちの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする結果１ないし１３のいずれか１項記載の照明デバイス。
15. 温室中で植物の成長を刺激する照明システムにおいて、
    請求項３ないし１４のいずれか１項記載の複数の照明デバイスと、
    入力および出力が設けられた、冷却媒体を冷却するように適合された冷却システムとを含み、
    前記冷却媒体を受け取り、移送するように適合されている、前記複数の照明デバイス中のチューブが、互いに直列に接続されており、それにより、前記複数の照明デバイス中のチューブは、前記冷却システムの入力および出力と接触する循環チャネルを形成し、
    前記複数の照明デバイスの照明デバイス毎の前記少なくとも１つの固体の光源が、互いに対して並列に、電気的に接続されている照明システム。
16. 結果３ないし１４のいずれか１項記載の照明デバイスを製造する方法において、
    前記方法は、
    第１のチューブを設けることと、
    第２のチューブと第３のチューブとのうちの少なくとも１つを設けることと、
    前記第２のチューブと前記第３のチューブとのうちの少なくとも１つに関して、前記第１のチューブを位置付け、それにより、両方のチューブのうちの一方は、他方により囲まれることと、
    両方のチューブの間にスペーシング手段を導入して、両方のチューブの相互の位置を固定することと、
    前記少なくとも１つの固体の光源が冷却媒体と接触するように、前記少なくとも１つの固体の光源を、前記第１のチューブ中に位置付けることとを含み、
    前記照明デバイスが用いられているとき、前記冷却媒体は、両方のチューブのうちの１つの中に位置している方法。
17. 前記チューブを設けることと、前記第２のチューブと前記第３のチューブとのうちの少なくとも１つに関して、第１のチューブを位置付けることと、前記スペーシング手段を導入することとは、押し出し成形を使用して、同時に行われることを特徴とする結果１６記載の方法。
18. 前記方法は、−５０℃と−２０℃との間の温度範囲における温度に、前記少なくとも１つの光源を冷却することを含むことを特徴とする結果３ないし１４のいずれか１項記載の照明デバイスを使用する方法。

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