JP2010523140A - 有機材料を栽培するためのトレイ及び苗床アセンブリ - Google Patents

Abstract

複数のＬＥＤ２０４を有する有機材料を栽培するためのトレイ２００が開示されている。トレイ２００は、上面２０２及び下面２０６を有する。上面２０２は、有機材料を栽培するための基材２１０を支持するように設けられ、下面２０６は、ＬＥＤ２０４により生成された光を放射するように設けられる。トレイ２００は、トレイ２００がＬＥＤ２０４により生成されたより多くの熱をトレイ２００の下面２０６よりも上面２０２ににおいて放射することを可能にする構造体を有する。トレイ２００は、改良された苗床アセンブリ１００を提供することを可能にし、有機材料を伴う土が、ＬＥＤ２０４により生成された熱で暖められる。この手法により、熱は、空気を暖めるために無駄になるのではなく、有機材料の上の空気よりも高い平均温度を持ち得るように土を暖めるために用いられる。

Description

本発明は、有機材料を栽培するためのトレイに関する。本発明は、更に、苗床アセンブリに関する。

苗床アセンブリは、米国特許第４，９１４，８５８号明細書で知られている。前記特許は、複数のトレイが収容されるラックで組み立てられる苗床アセンブリを開示している。トレイは、発芽用の種が入れられた基材で満たされる。各トレイの上には、ＬＥＤのグループが据えられる。ＬＥＤからの熱放出は、電球のものと比較して極小である。熱の低放射は、育苗者が植物材料の非常に近くにＬＥＤを配置することを可能にする。

米国特許第６，６８０，２００号明細書は、それぞれが組織試料を含むウェル（well）のアレイをそれぞれ規定する複数のトレイを含む植物組織の栽培を促進するアセンブリを開示している。各トレイの上の回路基板上に取り付けられた複数のＬＥＤアレイは、前記トレイ内の組織試料に対して光を供給する。各ＬＥＤは、各ウェルの上で中心合わせされる。

特開平０９−０９８６６５号公報は、優れた栽培能力を持つとともに野菜栽培に役立つ一方で、照射コスト及び冷却コストのような電力コストを削減可能な植物栽培装置を開示している。

既知のアセンブリでは、安定した状態において、空気の温度及び土の温度が同じである。更に、土は空気を介して暖められる。

本発明の目的は、有機材料を栽培するための改良されたトレイを提供することにある。

この目的は、複数のＬＥＤ、及び、有機材料を栽培するための基材を支持するように設けられる上面と前記ＬＥＤにより生成された光を照射するように設けられる下面とを持つトレイを有し、当該トレイは、当該トレイの下面に対してよりも当該トレイの上面に対して、前記ＬＥＤにより生成されたより多くの熱を放射することを当該トレイに可能にさせる構造体を有する、有機材料を栽培するためのトレイにより達成される。有機材料は、如何なる植物又は種材料であってもよく、細菌培養物又は細胞培養物であってもよい。

本発明は、植物の栽培が、根が配置される土を特定の温度より高く維持することにより改良され得るという認識に基づいている。この理由により、農業においては、黒いプラスチックが、プラスチックの下の土の太陽光によるより効果的な暖めを可能にするように土をカバーするために用いられる。これは、平均土温度を増加させ、植物材料の生育を改良する。本発明によれば、ＬＥＤにより生成された熱は無駄にならない。本発明によるトレイは、主に、生成された熱を空気ではなく基材に伝達する。トレイは、基材の床面暖めデバイスとして機能する。この手法において、基材の平均温度は、空気温度よりも高くなり得る。これは、育苗者が空気の暖め又は冷却の更なるコストを削減することを可能にする一方で、根を伴う基材の温度が所望の基材温度よりも高く維持される。トレイへのＬＥＤの組み込みは、育苗者がアセンブリにより多くのトレイを配置することを可能にする。照明デバイスの機能を組み合わせたフロア暖め機能は、細菌培養物又は細胞培養物を伴う基材の一実施形態においても有利であり、基材は、培養物の上の空気を介してではなく、下から暖められる。

本発明の一実施形態において、構造体は、第１の部分及び第２の部分を有し、前記第１の部分の一方面が前記上面を形成し、前記第２の部分の一方面が当該トレイの前記下面を形成し、前記ＬＥＤは、前記第１の部分に取り付けられ、前記第１の部分は、前記第２の部分よりも高い熱伝導性をもつ。この手法において、熱は、大部分がトレイの上面に伝達されるだろう。更に、熱伝導性がより高くなると、より多くの熱がトレイの上面のより大きな表面に渡って広がるだろう。これは、基材中の温度変化を低減する。

本発明の一実施形態において、ギャップが、第１の部分及び第２の部分を分離する。空気又は他のガスで満たされ得るギャップは、第１の部分と第２の部分との間の熱抵抗として機能する。この手法において、ＬＥＤにより生成された熱は、第１の部分を介してトレイの上面に伝達されるだろう。

本発明の一実施形態において、第１の部分の材料は、金属、ガラス、プレキシガラス又はプラスチックのうち少なくとも１つの材料である。本発明の他の実施形態において、第２の部分の材料は、ガラス、プレキシガラス又はプラスチックのうち少なくとも１つの透明な材料である。これらの特徴は、それぞれの栽培期間後に容易にクリーニングされ得るとともに、湿気及び粉塵に対してＬＥＤを保護するトレイを提供することを可能とする。

本発明の一実施形態において、第２の部分と向かい合う第１の部分の表面が反射的である。この特徴は、トレイの照明効率を増大させる。

本発明の一実施形態において、構造体は、１又はそれ以上のヒートパイプを有し、ＬＥＤは、１又はそれ以上のヒートパイプに熱的に結合される。この特徴は、ＬＥＤからヒートパイプの最も低い温度部分に熱を急速に伝達させることを可能にする。この手法において、トレイは、基材を均等に暖める。これは、根の生育を改良する。

本発明の一実施形態において、ヒートパイプは、水平に配置される。この特徴は、プレート中にヒートパイプを組み込むことを可能にする。ヒートパイプの近くにＬＥＤを取り付けることにより、ＬＥＤにより生成された熱は、トレイと基材との接触エリアに渡ってより均等に広がるだろう。更に、この特徴は、１つのトレイに対して１つのヒートパイプを用いることを可能にする。ヒートパイプは、トレイに渡って波状、螺旋状又は円形状のコースに曲がりくねって進み得る。他の実施形態において、ヒートパイプは、トレイの一方側から他方側に水平に延在し得る。

本発明の一実施形態において、ヒートパイプは、底部層の上に配置され、底部層は、ＬＥＤにより放出された光の通過を可能にするエリアを有する。この実施形態は、ＬＥＤから基材への熱の伝達の効率性を向上させることを可能にする。底部層の上にヒートパイプを配置することにより、ヒートパイプと土との接触エリアが増大される。ＬＥＤは、ヒートパイプがＬＥＤから土に生成熱を効率的に伝達することを可能にするために、ヒートパイプに取り付けられなければならない。底部層は、トレイの下に配置された植物材料に対するＬＥＤにより生成された光の通過を可能にするための透明エリアを有する。

本発明の一実施形態において、ヒートパイプは、垂直に配置される。この特徴は、基材の上部と基材の底部との間の温度差を低減する。基材中のより小さな温度変化は、基材の深さに関わらず、基材中の根のより一定の生育をもたらす。

本発明の他の態様は、請求項に記載の複数のトレイを有し、トレイが互いに上下に配置される苗床アセンブリに関する。

更に、本発明の他の態様は、有機材料を栽培する方法に関し、当該方法は、複数のＬＥＤを有する本発明によるトレイの基材中に、有機材料を含む苗床エリアを設けるステップと、ＬＥＤが基材中の有機材料上に光を放出するとともにトレイの構造体を介して基材を暖めるように、ＬＥＤを活性化させるステップとを有する。この手法において、ＬＥＤにより生成された熱は、空気を暖めることによって無駄になるのではなく、基材を直接的に暖めるために用いられる。本発明は、基材のための床面暖めシステムを提供する。本発明により、基材の温度は、空気温度よりも高くなり得る。これは、空気温度が低減され得る一方で、根の生育のための最適な基材温度が維持されることを意味する。この状態では、省エネルギが得られ得る。

本発明は、例により及び添付図面を参照して詳細に説明されるだろう。

本発明によるトレイを備えた苗床アセンブリの斜視図を示している。 本発明の第１の実施形態の断面図を概略的に示している。 本発明の第２の実施形態の概略的な断面図を示している。 本発明の第２の実施形態の概略的な断面図を示している。 本発明の第３の実施形態の概略的な断面図を示している。 本発明の第３の実施形態の概略的な断面図を示している。 本発明の第４の実施形態の概略的な断面図を示している。 本発明の第４の実施形態の概略的な断面図を示している。

図１は、本発明によるトレイ１０４，１０４´が収容されるラック１０２で組み立てられた苗床アセンブリ１００の斜視図を示している。トレイ１０４，１０４´は、ラック１０２内に着脱自在に配置される。図１中のトレイ１０４，１０４´は、基材で満たされている。基材においては、発芽用の種が入れられ得るか、又は、生育済みの植物１０６が成長し得る。基材の例は、土、培養土、ミネラルウール又はロックウールである。トレイ１０４，１０４´は、トレイ１０４，１０４´の底部に複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１０８を有する。トレイ１０４´に組み込まれたＬＥＤは、トレイ１０４´の下に配置されたトレイ１０４内の植物材料上に光を放射する。ＬＥＤは、ＬＥＤにより生成された熱が、ビーム中の赤外光（ＩＲ）の形式では照射されないという利点をもつ。これは、光源を植物材料の近くに配置することができるという利点をもつ。図１においては、ＬＥＤがトレイ１０４´の底部に渡って均一に分布されることが見られる。これは、植物材料１０６に対して一定の照明条件を提供することを可能とする。本発明によれば、ＬＥＤにより生成された熱は、特定の温度よりも高く、又は、植物を生育するか若しくは種を発芽させるための最適な温度に植物の根を維持するために、大部分が基材に伝達される。トレイの構造体は、床面暖めデバイス及び照明デバイスとして機能するようなものである。ＬＥＤからの熱が、トレイ１０４，１０４´間の空気ではなく、主に基材材料を暖める際には、空気温度が下げられ得る。これは、植物が成長する空間において空気を暖めるために通常用いられるエネルギの削減をもたらし得る。これは、植物材料を生産するためのコストを削減するだろう。

例えば、ＬＥＤ間に電位を印加するか、又は、ＬＥＤを介して電流を通すことにより活性化されるときに、ＬＥＤが、任意の領域又は電磁気スペクトルの領域の組み合わせ、例えば、可視領域、赤外線及び／又は紫外線についての放射線を放出するいずれかの"発光要素"であってもよいことに留意すべきである。それ故、ＬＥＤは、単色性、準単色性、多色性又は広帯域のスペクトル放出特性を有し得る。また、異なる波長を伴うＬＥＤの組み合わせが、単一のトレイに用いられてもよい。一のタイプが生育のために最適化された波長を伴い、他のタイプが例えば植物の開花期のために最適な波長を伴う。発光要素の例は、当業者により容易に理解されるような、半導体、有機若しくはポリマ／ポリメトリックの発光ダイオード、光学的膨張蛍光体がコートされた発光ダイオード（optically pumped phosphor coated light emitting diode）、光学的膨張ナノ結晶発光ダイオード、又は、いずれかの他の類似の発光デバイスを含む。

更に、ラック及びトレイが供給ワイヤを備えることが留意されるべきである。当業者は、供給ワイヤ及び対応する接続をラック１０２及びトレイ１０４，１０４´に導入する方法を知っている。それ故、この主題は、更なる詳細について論じられない。

図２は、本発明によるトレイ２００の第１の実施形態の断面図を概略的に示している。トレイは、上部層２０２及び底部層２０６を有する。ＬＥＤ２０４は、上部層２０２と底部層２０６との間に組み込まれている。好ましくは、ＬＥＤ２０４は、上部層２０２に取り付けられる。これは、ＬＥＤ２０４と上部層２０２との間の良好な熱的結合を提供する。上部層２０２は、ガラス、金属、プレキシガラス、プラスチック、又は、植物を生育するとともに熱を伝導するためのトレイを提供するのに適した任意の他の材料から作られ得る。適切な金属は、例えば、良好な熱伝導性をもつ軽材料であるアルミニウムである。好ましい実施形態において、上部層２０２は、光反射面２１４を有する。光反射面２１４は、トレイの底部を介して放射された光の量を増大させる。システムの効率は、植物（有機材料）の周りに白いプラスチックホイルを適用することによっても更に向上し得る。これは、トレイ２００の照明効率を向上させる。底部層２０６は、ガラス、プレキシガラス又はプラスチックのような透明な材料で作られる。また、拡散材料は、均一放出面をもたらす。上部層２０２及び底部層２０６は、ギャップ２０３により互いに離されている。ギャップ２０３は、上部層２０２と底部層２０６との間に断熱部を形成する空気又は任意の適切なガス若しくは液体で満たされる。この手法において、上部層２０２に向かってＬＥＤ２０４により消散された熱は、底部層に容易に伝達されるのではなく、むしろ植物材料２０８が成長する基材２１０に渡される。上部層２０２が良好な熱導電性材料で作られる場合には、上部層２０２は、基材を伴う接触エリア２１６に渡って均等に分配された熱を基材２１０に渡すだろう。この手法においては、より多くの熱が、トレイ２００の下の空気よりもトレイ２００の上の基材２１０に放射されるだろう。金属コアプリント回路基板を製造する技術が、金属層上にＬＥＤを搭載するために用いられ得る。

上部層の熱伝導性の他の利点は、ＬＥＤの平均動作温度が減少することである。動作温度の低減は、ＬＥＤの照明効率を増大させるだろう。更に、平均動作温度の削減は、ＬＥＤの寿命を増大させるだろう。

ＬＥＤ２０４と底部層２０６との間の空間はわずかである。ＬＥＤで生成された熱は、ＬＥＤの後側で消散されて、上部層２０２に伝達される。ギャップ２０３を形成する、ＬＥＤ２０４間の空間は、上部層２０２と底部層２０６との間の熱的抵抗を形成する。底部層２０６は、ＬＥＤのビーム内に設けられたコリメータ（図示省略）を有し得る。コリメータは、ビーム角及びビーム軸のような所望の光学特性を伴うＬＥＤの光ビームを提供する。

図２において、トレイは、基材又は基材に供給された水がトレイ２００からこぼれないことを確実にするために、リム２１２を有する。トレイの平坦面も上面及び底面も、容易なクリーニング特性を伴うトレイを提供する。更に、２つの層２０２，２０６は、組み入れられたＬＥＤ及び対応する電子装置に対して防水環境を提供する。更に、トレイの上面及び底面は、電気部品を有さない。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明によるトレイの第２の実施形態の概略的な断面図を示している。図３Ｂは、図３Ａの断面と直交する断面である。トレイ３００は、ヒートパイプ３０４を備えた層３０２を有する。ＬＥＤ３０６は、ヒートパイプ３０４の底面に取り付けられる。１つよりも多いＬＥＤがヒートパイプの底面３０６に搭載され得ることが留意されるべきである。

ヒートパイプは、１つのポイントから他のポイントに熱を速く伝達することができる単純なデバイスである。これらは、通常、ほとんど熱の損失を伴わない並外れた伝熱能力を有する、熱の"超伝導体"と呼ばれている。ヒートパイプの原理は、良く知られており、いくつかある文献の中で特に、"Experimental investigations of micro heat pipes fabricated in silicon wafers", Peterson G. P. et al, Journal of Heat Transfer, vol. 115. pp 751-756, 1993"で述べられている。要するに、ヒートパイプは、小さな断面寸法のシールされた長尺の導管である。液体が、さもなければ空であるヒートパイプの内側に供給される。長尺のヒートパイプの第１の端部は、熱が吸収されて液体が蒸発される熱受け取り端部として用いられる。長尺のヒートパイプの第２の端部は、凝縮器として用いられ、ヒートシンク、本アプリケーションにおいては基材に接続される。第２の端部では、蒸気が液体に戻るために液化される。第１の端部から第２の端部への蒸気移動の割合は、２つに端部間の蒸気圧の差分により管理される。導水管のサイズ及び形状の適切な設計により、ヒートパイプの第２の端部で形成された液体は、これが蒸発される第１の端部へ毛細管力により再び輸送される。典型的に、ヒートパイプは、毛細管力を高めるために、角度のある部分又は毛細管構造を備える。毛細管構造は、ヒートパイプの内側に溝、篩目、細繊維又は焼結粉末のうちの少なくとも１つを有し得る。それ故、液体は、効率的に循環する熱輸送媒体として機能する。冷却水が毛細管力だけにより輸送されるので、ヒートパイプの原理は、如何なるポンプ又は同様のデバイスを必要とすることなく、効率的な冷却デバイスを提供する。適切な冷却水は、メタノール、液体アンモニア及び水を含む。ヒートパイプの横断面寸法及び詳細な設計は、適切な毛細管圧力を提供するために、問題となるアプリケーションに対して最適化される。国際公開第２００６／１１４７２６号パンフレット及び国際公開第２００６／１０５６３８号パンフレットは、ヒートパイプでＬＥＤを冷却するアプリケーションを開示している。

第２の実施形態のヒートパイプ３０４は、垂直に配置されている。ヒートパイプは、通常、ヒートパイプの外側表面の最も冷たい場所に熱を伝導するだろう。従って、ヒートパイプにより放射された熱は、基材との接触エリアに渡って均一に分配されるだろう。植物材料の根は、垂直に配置されたヒートパイプ間で成長する。それ故、根は、脇から暖められるだろう。この実施形態において、基材の温度は、水平方向において変化することができ、縦方向においてわずかに変化するだろう。これは、基材中の根の深さに対する根の成長条件が多少なりとも似ていることを意味する。

図３の実施形態において、ヒートパイプ３０４は、基材３１０の底部から上部層にかけて基材３１０を通る。ヒートパイプ３０４は、トレイ３００に基材３１０を固定する手段を提供する。基材が例えばロックウールから作られる場合には、ロックウールは、ヒートパイプ３０４を受けるための予め形成された穴を有し得る。他の実施形態において、ヒートパイプの上部が基材でカバーされる。

ヒートパイプのエンベロープは、とりわけ、設計に基づいて円柱状、矩形状、又は他のカスタム形状を有し得る。例えば、トレイの上面は、それぞれが１又はそれ以上の苗を生育するための基材を含むように設けられるウェルのアレイを形成し得る。この実施形態において、ヒートパイプは、各ウェルの側壁面の直下に組み入れられ得る。

図４ａ及び図４ｂは、本発明によるトレイの第３の実施形態の概略的な断面図を示している。図４ｂは、図４ａの断面と直交する断面である。この実施形態において、ヒートパイプ４０４は、トレイ４００の底部層４０２に渡って水平に延在する。ＬＥＤ４０６は、ヒートパイプ４０４に取り付けられる。一実施形態においては、複数のヒートパイプがトレイの一方から他方にかけて互いに平行に延在し得るか、又は、１つのヒートパイプがトレイ４００の全面に渡って曲がりくねって進み得る。底部層４０２は、ＬＥＤ４０６により生成された光をトレイ４００の下に配置された植物材料に通過させるための透明エリア４１４を有する。他のエリア４１２は、透明又は非透明な材料であってよい。一実施形態において、透明エリア４１４は、ＬＥＤの光ビームを形作るコリメータを有する。好ましくは、ＬＥＤは、トレイの下に位置する植物材料に対して均一の照明条件を伴うトレイを提供するために、トレイに渡って規則的なパターンで配置される。

この実施形態において、ＬＥＤ４０６により生成された熱は、ヒートパイプ４０４の外面に渡って均一に放射される。植物材料が成長する基材は、下から暖められる。

図５Ａ及び５Ｂは、本発明によるトレイの第４の実施形態の概略的な断面図を示している。図５Ｂは、図５Ａの断面と直交する断面である。トレイは、熱伝導性材料の上部層５０２を有する。ＬＥＤ５０４は、上部層５０２の底部側に取り付けられる。ＬＥＤ５０４により生成された熱は、上部層５０２に渡って分配されるだろう。更に、熱絶縁層５０６は、上部層５０２の底部側に取り付けられる。ＬＥＤにより放出された光をトレイ５００の下の植物材料に通すために、熱絶縁層５０６は、ＬＥＤ５０４の位置に穴５１４を有する。この構造により、ＬＥＤにより生成された熱は、基材５１０を暖めるために、大部分がトレイの上面を介して基材５１０に放射される。上部層５０２の材料がより大きな熱伝導性をもつと、より大きな熱がトレイの上面に渡って広がる。一実施形態において、穴５１４は、ＬＥＤの光ビームを形作るコリメータを有する。

本発明は、その好ましい実施形態により説明されているが、これらが非限定的な例であることが理解されるべきである。それ故、種々の変更が、特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって考えられる。例えば、ヒートパイプは、上部層５０２の熱伝導性を向上させるために、第４の実施形態の上部層５０２に組み入れられてもよい。更に、基材を伴う上部層の接触エリアは、例えば平坦面の代わりに波状面により、又は、上面に延在する上部層に対して冷却構造例えばリブを提供することにより増大されてもよい。更に、上記で与えられた実施形態は、植物材料を伴うトレイを示している。本発明は、例えば培養物又はバクテリア培養物に関する実験室のために有利に用いられてもよい。

"有する"という動詞の使用及びその活用は、特許請求の範囲に記載されたもの以外の要素又はステップの存在を除外するものではない。更に、要素の単数表記は、斯様な要素の複数の存在を除外するものではない。特許請求の範囲において、括弧内の如何なる参照符号も、特許請求の範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。更に、本発明は、それぞれの新規な特徴又は特徴の組み合わせを備えている。

Claims (12)

1. 複数のＬＥＤを有する有機材料を栽培するトレイであって、
   当該トレイは、有機材料を栽培するための基材を支持する上面と、前記ＬＥＤにより生成された光を放射する下面とを有し、
   当該トレイは、当該トレイが前記ＬＥＤにより生成されたより多くの熱を当該トレイの前記下面よりも前記上面において放射することを可能にする構造体を有する、トレイ。
2. 前記構造体は、第１の部分と第２の部分とを有し、前記第１の部分の一方面が前記上面を形成し、前記第２の部分の一方面が当該トレイの前記下面を形成し、
   前記ＬＥＤは、前記第２の部分よりも高い熱伝導性をもつ前記第１の部分に取り付けられる、請求項１に記載のトレイ。
3. ギャップが、前記第１の部分と前記第２の部分とを分離する、請求項２に記載のトレイ。
4. 前記第１の部分の材料は、金属、ガラス、プレキシガラス又はプラスチックのうち少なくとも１つの材料である、請求項２に記載のトレイ。
5. 前記第２の部分の材料は、ガラス、プレキシガラス又はプラスチックのうち少なくとも１つの透明又は拡散材料である、請求項２に記載のトレイ。
6. 前記第１の部分は、前記ギャップ側の面に反射面を有する、請求項３に記載のトレイ。
7. 前記構造体は、前記ＬＥＤが熱的に結合される１又はそれ以上のヒートパイプを有する、請求項１〜６のうちいずれか一項に記載のトレイ。
8. 前記ヒートパイプは、水平に配置される、請求項７に記載のトレイ。
9. 前記ヒートパイプは、前記ＬＥＤにより放出された光の通過を可能にするエリアを有する底部層の上に配置される、請求項８に記載のトレイ。
10. 前記ヒートパイプは、垂直に配置される、請求項７に記載のトレイ。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のトレイを複数有する苗床アセンブリであって、
    前記トレイは、互いに上下に配置される、苗床アセンブリ。
12. 有機材料を栽培する方法であって、
    複数のＬＥＤを有する請求項１〜１０のうちいずれか一項に記載のトレイの基材中に有機材料を含む苗床エリアを設けるステップと、
    前記基材中の前記有機材料上に光を放出して、前記トレイの構造体を介して前記基材を暖めるように、前記ＬＥＤを活性化させるステップとを有する、方法。

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