JP2017099346A - 植物栽培用照明装置および植物栽培装置 - Google Patents

Abstract

【課題】栽培スペース効率が高く、照明光を効率的に活用できて消費電力を低減でき、栽培室の温度上昇を少なくできる植物栽培用照明装置および植物栽培装置を提供する。【解決手段】複数のＬＥＤ３５が回路基材３８の表面に実装されて構成されたＬＥＤ基板３３と、ＬＥＤ基板３３の裏面側に配置されてＬＥＤ基板３３を支持し且つＬＥＤ基板３３から放熱される熱を栽培棚が位置する栽培空間領域２１以外の非栽培空間領域３９に導く非強制冷却型の熱伝導性支持体４１とを備える。栽培空間領域２１と非栽培空間領域とを仕切るようにＬＥＤ基板３３の表面側に配置され、ＬＥＤ３５から照射される光を通す複数の貫通孔５３を備えてＬＥＤ基板３３の表面から放熱される熱が栽培空間領域２１に放熱されることを阻止する断熱材層５５とこの断熱材層５５の栽培空間領域２１と対面する表面上に配置された光反射層５７とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源として使用し、植物、野菜、苗の育成に用いられる植物栽培用照明装置および植物栽培装置に関するものである。特に、本発明は、栽培スペース効率が高く、照明光を効率的に活用できる、消費電力を低減でき、栽培室の温度上昇を少なくできる植物栽培用照明装置および植物栽培装置に関するものである。

植物栽培工場において従来用いられている伝統的な蛍光灯や高圧ナトリウムランプなどの照明器具の場合は、消費電力が大きく、そのためその電気代が高くつくほか、照明光と一緒に赤外線（熱線）が放射されるので栽培空間の温度が上がってしまい、冷房装置の消費電力も大きくなる。そこで最近は、発光に伴う輻射熱が極めて少ないという特性をもち、輻射熱による周辺環境への影響が極めて少ないＬＥＤを光源として採用した照明装置が採用されつつある。

他方、ＬＥＤを用いた照明装置の場合は、ＬＥＤ自体の発熱のために、（また植物の栽培環境の湿度が高いために、）ＬＥＤが劣化しやすく、寿命が短くなるという問題があった。

特許文献１（実用新案登録第３１８９８８６号公報）には、建物の内部に、植物を栽培するための栽培棚を設け、栽培棚の上方にＬＥＤ植物育成灯を配置し、このＬＥＤ植物育成灯の光を栽培棚上の植物に照射する植物栽培装置が開示されている。ＬＥＤ植物育成灯は中空のパイプから成る細長状の基体と、この基体に固設されたＬＥＤ基板と、該ＬＥＤ基板に取り付けられた複数のＬＥＤ（発光ダイオード）とで構成される。この栽培装置で採用されている照明装置では、液体循環路を構成する中空体を設け、この中空体と外に配置される冷却ユニットとを連結し、冷却ユニットによって冷却された冷却水でＬＥＤ植物育成灯を強制冷却している。またこの構造では、基体のＬＥＤ取付部分を残して基体全体を断熱材で覆うことにより、液体循環路を構成する中空体からの放熱が栽培棚側に及ばないようにしている。

実用新案登録第３１８９８８６号公報 図４

特許文献１に示される植物栽培用照明装置のように、ＬＥＤ基板の強制冷却のために冷媒を循環させる冷却ユニットを装着すると、植物栽培用照明装置が大型化し且つ高価になり、また栽培空間を確保するためには栽培棚の段数が少なくなり栽培スペース効率が低くなってしまう問題がある上、設置費用が非常に高いものとなる。

本発明の目的は、栽培スペース効率が高く、照明光を効率的に活用できて、消費電力を低減でき、栽培室の温度上昇を少なくできる植物栽培用照明装置および植物栽培装置を提供することにある。

本発明は、栽培用植物が配置される栽培棚の上方に配置されて、複数のＬＥＤから栽培棚上の栽培用植物に光を照射する植物栽培用照明装置を改良の対象とする。本発明の植物栽培用照明装置は、複数のＬＥＤが回路基材の表面に実装されて構成された１以上のＬＥＤ基板と、ＬＥＤ基板の裏面側に配置されて前記１以上のＬＥＤ基板を支持し且つ１以上のＬＥＤ基板から放熱される熱を栽培棚が位置する栽培空間領域以外の非栽培空間領域に導く非強制冷却型の熱伝導性支持体とを備えている。ここで非強制冷却型の熱伝導性支持体とは、ヒートシンク単体のように、強制空冷や水冷によって強制的に冷却されることがない熱伝導性支持体を意味する。さらに本発明の植物栽培用照明装置は、栽培空間領域と非栽培空間領域とを仕切るようにＬＥＤ基板の表面側に配置され、複数のＬＥＤから照射される光を通す複数の貫通孔を備えて、ＬＥＤ基板の表面から放熱される熱が栽培空間領域に放熱されることを阻止する断熱材層と、この断熱材層の栽培空間領域と対面する表面上に配置された光反射層とを備えている。

本発明の植物栽培用照明装置では、非強制冷却型の熱伝導性支持体によりＬＥＤ基板を支持しているので、ＬＥＤ基板の冷却構造が大型化且つ高価になることがない。熱伝導性支持体が大型化しなければ、熱伝導性支持体及びＬＥＤ基板の設置スペースをより小さいものとすることができ、栽培棚の段数をできるだけ多くすることが可能になる。その上、栽培空間領域と非栽培空間領域とを仕切るようにＬＥＤ基板の表面側に配置された断熱材層を備えているので、ＬＥＤ基板及び熱伝導性支持体から放熱される熱が、栽培空間領域に直接及ぶことを阻止することができる。その結果、栽培空間領域の温度上昇を抑制できる。さらに光反射層を設けることで、複数のＬＥＤから放射された光を効率よく植物に反射することができ、消費電力の少ないＬＥＤを用いたことと相俟って消費電力の削減を図ることができる。消費電力の削減を図ることができるので、結果としてＬＥＤが発生する熱量が少なくなり、熱伝導性支持体の放熱性能を強制冷却が必要なほどに高める必要性がなくなる。

１以上のＬＥＤ基板は、所定の間隔を開けて平行に配置された複数のＬＥＤ基板から構成してもよい。この場合、熱伝導性支持体は、回路基材よりも熱伝導性が高い複数の帯状板材を用いることができる。そしてさらに、複数のＬＥＤ基板を支持した複数の帯状板材が配置される複数の支持フレームを含むフレーム・アセンブリを備えていてもよい。このようなフレーム・アセンブリを用いると、フレーム・アセンブリに対して複数の熱伝導性支持体を装着し、フレーム・アセンブリ自体を、培用植物が配置される栽培棚の上に栽培空間領域を画定する天板の機械的構造物として利用することができる。そのため植物栽培装置の構成部品の分品点数を削減できる。また断熱材層は、１以上のＬＥＤ基板及びフレーム・アセンブリを栽培空間と隔離するように、１以上のＬＥＤ基板及びフレーム・アセンブリの栽培空間と対向する側面を全体的に覆っているのが好ましい。このようにするとフレーム・アセンブリを構成する部材から、栽培空間領域に放熱されることを防止できる。

なお前述の熱伝導性支持体を、複数のＬＥＤ基板にそれぞれ対応して配置されて複数のＬＥＤ基板を支持する金属製の複数の支持フレームを含むフレーム・アセンブリによって構成してもよいのは勿論である。この場合、フレーム・アセンブリは、複数の支持フレームを連結する金属製の複数の連結フレームを備えているのが好ましい。連結フレームを設ければ、フレーム・アセンブリの強度を高めることができるだけでなく、放熱性能を高めることができる。

フレーム・アセンブリの栽培空間領域とは反対側に位置する背面側には、上段に位置する栽培棚から漏れた水が前記フレーム・アセンブリにかかることを阻止する蓋部材が配置されているのが好ましい。蓋部材があれば、漏水による照明装置の損傷を防止することができる。

この場合、フレーム・アセンブリと蓋部材とによって囲まれた囲繞空間が、非栽培空間領域の一部を構成することになる。そこでこの場合には、フレーム・アセンブリを、囲繞空間内の空気がフレーム・アセンブリの外部に流出する構造にすればよい。具体的には、支持フレームに通気孔を形成すればよい。

ＬＥＤ基板と断熱材層との間に隙間があると、その隙間からの熱が栽培空間領域に拡散するおそれがある。そこでＬＥＤ基板上に実装された複数のＬＥＤの周囲には、ＬＥＤ基板と断熱材層とに密着するスペーサをさらに備えているのが好ましい。このようなスペーサを設ければ、この隙間から熱が栽培空間領域に拡散することを有効に防止できる。またＬＥＤから漏れた光が、この隙間の中にも拡散し、光の利用効率を低下させ原因となる。そこでこのスペーサとして、ＬＥＤから漏れた光を貫通孔内に反射して栽培空間領域に向かわせる光反射材料から形成されたものを用いると、の内部にＬＥＤから漏れた光が進入することを阻止することができる。

断熱材層に設けられた貫通孔とＬＥＤとの間に形成される隙間またはスペーサに設けられた貫通孔とＬＥＤとの間に形成される隙間に、封止剤が封入されているのが好ましい。この封止剤は、防水性があるものが好ましい。このような封止剤からなる封止部による封止構造を採用すると、ＬＥＤの電極部の腐食や劣化を防止できる。

１以上のＬＥＤ基板と熱伝導性支持体との間には両者を密着した状態で接合する熱伝導性材料からなる接合層が配置されているのが好ましい。このような構造にすると、接合層を通して、ＬＥＤ基板からの熱を熱伝導性支持体に確実に伝達することができる。

断熱材層及び光反射層は、それぞれ別部材により構成されていてもよいが、光反射特性を有するマイクロ発泡樹脂シートを用いると、両者を一体物により構成することができ、部品点数が少なくなると共に、植物栽培用照明装置の組立が容易になる利点が得られる。

ＬＥＤ基板の回路基材材質及び構造は任意であるが、可撓性を有する回路基材を用いてＬＥＤ基板を構成すると、照明装置の薄型化を図ることができる。

フレーム・アセンブリの外周部には、栽培空間領域側に延びて、複数のＬＥＤから放射された光を反射する反射部材が装着されているのが好ましい。このような反射部材を装着すると、光の利用効率を高めることができるので、必要以上にＬＥＤを光らせる必要がなく、省エネ効果を高めることができる。

本発明の植物栽培装置では、栽培用植物が配置される栽培棚の上に栽培空間領域を画定する天板を備え、天板に複数のＬＥＤから栽培棚上の栽培用植物に光を照射する植物栽培用照明装置が配置されている。そして本発明の植物栽培装置では、天板を本発明の植物栽培用照明装置によって構成する。このようにすると植物栽培装置の部品点数が少なくなる。

風が流れる方向を規制できる通風設備を備えた植物栽培室内に、植物栽培装置が配置されてなる植物栽培システムにおいて、植物栽培装置は、非栽培空間領域内に通風設備によって流れる風が流通するまたは排出できるように設置位置が定められているのが好ましい。このようにすると自然空冷によって、非栽培空間領域内の温度を下げることが可能になる。

（Ａ）は本発明の第１の実施の形態の植物栽培装置の構成を概略的に示す図であり、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１の植物栽培装置で使用されている植物栽培用照明装置の実施の形態の一例の底面図及び断熱材層をはずした状態の底面図である。 （Ａ）は植物栽培用照明装置の主要部の概略横断面図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ概略断面図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、フレーム・アセンブリの平面図、側面図及び底面図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は、このような図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示した実施の形態の変形例の要部の平面図、図５（Ａ）のＡ−Ａ線断面図及び図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。 （Ａ）はスペーサを用いずに断熱材層によって直接回路基材を覆う場合の要部の平面図、（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は図６（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 枠板の異なる例を示す図である。 本発明の植物栽培用照明装置の第２の実施の形態で用いるフレーム・アセンブリの平面図である。 （Ａ）は植物栽培用照明装置の主要部の概略横断面図、（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。 実施例の構成を示す概略図である。 比較例１の構成を示す概略図である。 比較例２の構成を示す概略図である。 温度及び照度の測定位置を説明するために用いる図である。 実施例及び比較例についての温度測定結果を示す表の図である。 実施例及び比較例について同じ電力を供給して行った照度試験の結果を示す表の図である。

以下、図面を参照して本発明の植物栽培用照明装置の実施の形態の一例及び本発明の植物栽培装置の実施の形態の一例を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
（植物栽培装置）
図１（Ａ）は、本実施の形態の植物栽培装置の構成を概略的に示す図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本実施の形態の植物栽培装置１では、床１０の上に栽培ラック３が設置されている。栽培ラック３は、４本以上の柱５と、上下方向に間隔をあけて配置された棚を構成する複数の梁７と、底壁９とから構成されている。底壁９の上には、漏水を溜める漏水パン１１が設置されており、梁７によって構成される棚の上には栽培ベッド（培養液を植物に供給する部分）１３がそれぞれ設置されている。栽培ベッド１３には栽培用植物１５が植えられている。本実施の形態では、溶液を貯めたタンク１７よりポンプにより、各栽培ベッド１３に培養液が供給される。タンク１７と各棚の栽培ベッド１３とは、配管１９で連結されており、閉ループの培養液循環流路が形成されている。

そして栽培用植物１５が配置される栽培棚の上方には、栽培空間領域２１を画定する天板２３を備えている。本実施の形態では、天板２３が、複数のＬＥＤから栽培棚上の栽培用植物１５に光を照射する植物栽培用照明装置２５によって構成されている。植物栽培用照明装置２５の構成については、後に詳しく説明するが、植物栽培用照明装置２５の栽培空間領域２１と対向する面は、光反射層によって構成されている。本実施の形態では、栽培ベッド１３の上に栽培用植物１５が伸び出る貫通孔が形成された底面反射板２７が配置されている。この反射板は、植物栽培用照明装置２５から照射される光を、植物１５の葉の裏面側に向かって反射する。また本実施の形態では、栽培空間領域２１の上方の４つの側面にも、植物栽培用照明装置２５から放射された光を拡散反射する側面反射板２９が配置されている。左右、前後の側面反射板２９が天面側に設けられているが、これらの側面反射板２９は、栽培空間領域２１の側面を完全は覆っておらず、側面に開口部を残している。そのためこの開口部を通して、栽培ラック３が置かれている栽培室の空気が栽培空間領域２１と自由に出入りできる構成となっている。そして各反射板（２７，２９）と植物栽培用照明装置２５の光反射層による光の拡散反射によって植物に効率的に光を照射する。その結果、植物栽培用照明装置２５からの光の照射量を低減することができる。なお前述の開口部を形成しないように、側面反射板２９を、栽培空間領域２１の側面を完全に覆うように設けてもよいのは勿論である。

本実施の形態では、栽培ラック３の梁７と植物栽培用照明装置２５との間に形成されて栽培室と連通する連通空間３１に、植物栽培用照明装置２５からの熱が放熱される。なお最上段の植物栽培用照明装置２５からの放熱は、栽培ラック３の上方に放出される。そして植物栽培用照明装置２５は、栽培ラック３の柱５及び梁７に固定される。

栽培環境制御は、栽培ラック３が設置される栽培室の温度、湿度、ＣＯ₂ガス濃度を制御することで、栽培棚の各栽培空間領域２１をほぼ同じ環境とする。また栽培環境制御のために、栽培室の空気の流れや栽培棚の配置を工夫している。なお栽培環境制御の技術は、公知であるため、説明は省略する。

（植物栽培用照明装置）
図２（Ａ）及び（Ｂ）は、図１の植物栽培装置１で使用されている植物栽培用照明装置２５の実施の形態の一例の底面図及び断熱材層５５をはずした状態の底面図であり、図３（Ａ）は植物栽培用照明装置２５の主要部の概略横断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。また図４（Ａ）乃至（Ｃ）は、フレーム・アセンブリの平面図、側面図及び底面図である。本実施の形態の植物栽培用照明装置２５は、栽培用植物１５が配置される栽培棚の上方に配置されて、複数のＬＥＤ３５から栽培棚上の栽培用植物１５に光を照射する。

本実施の形態では、複数のＬＥＤ３５が帯状の回路基材３８の回路導体３７の上に実装されて構成された４枚のＬＥＤ基板３３を備えている。回路基材３８は可撓性のある絶縁層３６，３６によって回路導体３７が挟まれた構造を有している。このような回路基材３８としては、可撓性を有するフレキシブル印刷配線基材やフレキシブルフラットケーブルを用いることができる。フレキシブル印刷配線回路基材を用いると、照明装置の薄型化を実現できる。またＬＥＤ３５を実装する面は、実装箇所の絶縁層３６が部分的に除去されて回路導体３７を露出してある。回路導体３７の断面積と表面積を適切に選択することで、ＬＥＤ３５の熱を導体に効率的に伝えることができる。その結果、導体表面積が放熱面積となり効率的に支持体に放熱ができる。また回路基材３８として金属基材に絶縁層形成してなるメタル基材を用いてもよいのは勿論である。

ＬＥＤ３５としては、表面実装型ＬＥＤパッケージまたはフリップチップのＬＥＤベアチップを用いることができる。半田付け部は防水、湿度対策の処理を行うことが好ましい。ＬＥＤ３５を回路基材３８に実装する場合には、表面実装型ＬＥＤ（表面実装用のＬＥＤパッケージを用いることが一般的）を半田付けにより実装する。その場合、半田ごて、リフロー、抵抗加熱やランプ加熱及びレーザー等のスポット加熱等を採用することができる。例えば、砲弾型ＬＥＤの場合、リード線があるタイプは、リード線を回路基材３８に半田付けする。また回路基材３８に設けられた穴にリード線を挿入して半田付けしてもよい。

ＬＥＤ基板３３の裏面側には、４枚のＬＥＤ基板３３をそれぞれ別個に支持し且つＬＥＤ基板３３から放熱される熱を栽培棚が位置する栽培空間領域２１以外の非栽培空間領域３９（図２）に導く非強制冷却型の熱伝導性支持体４１が配置されている。非強制冷却型の熱伝導性支持体４１は、ヒートシンク単体のように、空冷や水冷によって強制的に冷却されることがない熱伝導性支持体である。本実施の形態では、熱伝導性支持体４１として帯板状のアルミ板が用いられている。熱伝導性支持体４１とＬＥＤ基板３３とは、熱伝導性の高い両面テープや接着剤（接合材）によって接合されている。

図２（Ｂ）及び図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、本実施の形態では、熱伝導性支持体４１が、４枚のＬＥＤ基板３３にそれぞれ対応して配置される金属製の４本の支持フレーム４３に熱伝導性の高い両面テープや接着剤（接合材）によって接合されている。

本実施の形態では、図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、４本の支持フレーム４３と、４本の支持フレーム４３を連結する金属製の２本の連結フレーム４５及び４７とが組み合わされてフレーム・アセンブリ４８が構成されている。

なお図３（Ａ）及び（Ｂ）においては、理解を容易にするために、断熱材層５５とスペーサ５９にだけ、断面であることを示すハッチングを施してある。

本実施の形態のフレーム・アセンブリ４８は、さらに栽培ラック３への取付の目的のためと機械的強度を確保するために、４本の支持フレーム４３の両側に、支持フレーム４３と同じ材料からなる２本の第１補強フレーム４４を備えており、またこの２本の第１補強フレーム４４と４本の支持フレーム４３の長手方向の両端に連結された２本の第２補強フレーム４９をさらに備えている。２本の第２補強フレーム４９も、支持フレーム４３と同様の材料から構成されている。本実施の形態では、ＬＥＤ３５の発熱を熱伝導により拡散させて、ＬＥＤ基板３３が高温になることを防ぐために、熱伝導性支持体４１を支持フレーム４３に熱伝達可能に接合させている。支持フレーム４３，連結フレーム４５，４７、第１補強フレーム４４，第２補強フレーム４９は、熱伝導率が高い金属で構成している。このような金属としては、アルミニウム（196kcal/m・h・℃）、銅（332 kcal/m・h・℃）、ステンレス（SUS）、通常の鉄材でもよい。各フレームは、平板、折り曲げ板金、引き抜き材等で形成されていてもよい。

本実施例の場合、フレーム・アセンブリ４８は、全体として、熱伝導性支持体４１と組み合わされて放熱構造体を構成しており、放熱構造体全体としての熱容量は強制冷却の必要がない値を有している。本実施の形態のように、熱伝導性支持体４１とフレーム・アセンブリ４８から放熱構造体を構成すると、放熱構造体自体を、栽培用植物が配置される栽培棚の上に栽培空間領域を画定する天板の機械的構造物として利用することができる。そのため植物栽培装置の構成部品の分品点数を削減できる。

また植物栽培用照明装置２５は、栽培空間領域２１と非栽培空間領域３９とを仕切るようにＬＥＤ基板３３の表面側に配置され、複数のＬＥＤ３５から照射される光を通す複数の貫通孔５３を備えてＬＥＤ基板３３の表面から放熱される熱が栽培空間領域２１に放熱されることを阻止する断熱材層５５を備えている。本実施の形態では、断熱材層５５が栽培空間領域と対面する表面上に配置された光反射層５７とを備えている。本実施の形態では、断熱材層５５及び光反射層５７が、光反射特性を有するマイクロ発泡樹脂シートにより一体に構成されている。このようなマイクロ発泡樹脂シートは、例えば、古河電気工業株式会社が「MCPET」の商品名で販売しているものを用いることができる。マイクロ発泡樹脂シートは、表面が発砲しておらず、表面にPET層が形成されている。栽培室側は、湿度が高いので、水蒸気を吸着して内部に水滴として蓄えるような、不織布や気孔が連通した発泡体は好ましくない。そこで断熱材層５５の栽培室側は少なくとも、通気性がなく表面でかつ反射性能を持つ表面とするのが好ましい。なお断熱材層５５及び光反射層５７が、それぞれ別部材により構成されていてもよい。

断熱材層５５及び光反射層５７の他の例としては、断熱材の表面に鏡面のアルミテープを貼った構造を採用することができる。またはアルミテープの表面に凹凸を付けた（サンドブラストや凹凸のローラ間を通過させて表面に凹凸を付ける）アルミシートを貼り付けたものを用いることができる。鏡面のアルミテープの場合は、アルミテープの表面に向かう照明光（植物や栽培室を構成する表面で反射して天面に入射した反射照明光）が表面で正反射される。表面に凹凸を付けたアルミテープでは、表面の凹凸内で多重反射をして拡散反射的表面から栽培室に再照射される。

また断熱材層５５と光反射層５７の他の例としては、独立気泡の発泡体（化学発泡や物理発泡（MCPETは物理発泡））にアルミテープを貼ったものや、プリズムフィルム（スリーエムジャパン株式会社や日東電工株式会社が販売している）や拡散反射フィルム（帝人株式会社、東レ株式会社等が販売している）を貼ったものでもよい。プリズムフィルムや拡散反射フィルムは液晶テレビのバックライトに使われているものが適用できる。この構成は、プリズムフィルムや拡散反射フィルムの表面に向かう照明光（植物や栽培室を構成する表面で反射して天面に入射した反射照明光）がそれらの表面で一部反射する。透過した照明光はアルミ面で反射し、再度プリズムフィルムや拡散反射フィルムで反射し、入射光方向やアルミでの反射光方向とは異なる方向にも反射されて、拡散反射光となって再度栽培室に照射される。

断熱材層５５は、フレーム・アセンブリ４８を栽培空間領域２１と隔離するように、フレーム・アセンブリ４８の栽培空間領域２１と対向する側面を全体的に覆う。このようにするとフレーム・アセンブリ４８を構成するフレーム（４３，４４，４５，４７，４９）やＬＥＤ基板の熱が、栽培空間領域２１に放熱されることを防止できる。

なおＬＥＤ基板３３の回路基材３８と断熱材層５５との間に隙間がある場合、この隙間と断熱材層５５に形成された貫通孔５３とが連通した状態にあると、回路基材３８からの熱が隙間及び貫通孔５３を通って、栽培空間領域２１に放熱される。またこのような状況があると、ＬＥＤ３５から漏れた光が、この隙間の中にも拡散し、光の利用効率を低下させる原因となる。そこで本実施の形態では、ＬＥＤ基板３３上に実装された複数のＬＥＤ３５の周囲には、回路基材３８と断熱材層５５との間に両者に密着するようにスペーサ５９を配置している。スペーサ５９を回路基材３８と断熱材層５５とを密着させるためには、両面テープや粘着剤からなる接着層を配置すればよい。本実施の形態では、回路基材３８と同様に、帯状のスペーサ５９が回路基材３８に沿って配置されている。スペーサ５９には、複数のＬＥＤ３５の発光部をそれぞれ露出させるための複数の貫通孔６０が形成されている。このようスペーサ５９を設ければ、ＬＥＤ３５の高さ寸法が高い場合でも、ＬＥＤ基板３３の回路基材３８と断熱材層５５との間に形成される可能性のある隙間が殆どなくなる。スペーサ５９の材料は、断熱材層５５と同種の材料により構成すれば、回路基材３８と断熱材層５５との間に隙間が形成されたとしても、その隙間に溜まる熱が栽培空間領域２１に伝わることを阻止することができ、しかも貫通孔５３と同様に貫通孔６０の内壁面に必要な反射性能を得ることができる。

（変形例）
また本実施の形態では、スペーサ５９として帯状のものを用いたが、一つの貫通孔５３に対応して一つのスペーサ５９´を配置するようにしてもよいのは勿論である。またＬＥＤ基板３３は複数の回路基材３８´にそれぞれ１以上のＬＥＤ３５が実装された構成としてもよいのは勿論である。図５（Ａ）は、このような図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した実施の形態の変形例の要部の平面図、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図及び図５（Ｃ）は図５（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図を示している。なお図５（Ｂ）及び（Ｃ）には、断面であることを示すハッチングは省略してある。この例では、スペーサ５９´により、ＬＥＤ３５の発光部を支持するＬＥＤ本体３５Ａの上部まで覆うようにしている。なお図５（Ｂ）及び（Ｃ）において、Ｂ１乃至Ｂ４は、それぞれ両面テープ、粘着剤、接着剤等からなる接合層であり、各接合層は両側に位置する部材同士を接合する機能を発揮する。

このような構成を採用すると、スペーサ５９´と回路基材３８´上の半田部６１を含む領域との間に微細な隙間が形成されることになる。そこで本例では、この微細な隙間に封止剤６２を封入している。封止剤６２としては、シリコン等のように硬化すると耐水性・防水性を有する充填材料を用いている。このような封止剤を用いると、微細な隙間からの放熱を阻止できるだけでなく、半田部６１やＬＥＤ３５の電極部の腐食や劣化を防止できる。なおこの封止剤６２は、スペーサ５９´を回路基材３８´上に接合させる前にＬＥＤ３５のＬＥＤ本体３５Ａの周囲に塗布しておけばよい。硬化後の封止剤が光透過性を有していれば、ＬＥＤ３５の発光部に封止剤が付着しても、大きな問題は生じない。

上記実施の形態では、スペーサ５９を用いたが、図６（Ａ）乃至（Ｃ）に示すように、スペーサ５９を用いずに、断熱材層５５によって直接回路基材３８を覆うようにしてもよい。図６（Ａ）乃至（Ｃ）には、図５（Ａ）乃至（Ｃ）に示した部材及び部分と同じ部材には、図５（Ａ）乃至（Ｃ）に付した符号と同じ符号を付してある。また図６（Ｂ）及び（Ｃ）には、断面であることを示すハッチングは省略してある。

この例では、断熱材層５５に形成した貫通孔５３´の形状を、ＬＥＤ３５の発光部だけを露出させる大きさに形成している。また封止剤６２は、断熱材層５５と回路基材３８との間に充填されている。なお封止剤６２を用いずに、防水できるレンズからなるキャップを貫通孔５３の開口部に気密に接続してもよい。

また本実施の形態では、フレーム・アセンブリ４８の栽培空間領域２１とは反対側に位置する背面は、熱伝導性を有する蓋部材６３により覆われている。このような蓋部材６３を設けると、上方に位置する栽培棚側へフレーム・アセンブリ４８から放熱された熱が伝わることを物理的に阻止することができる。

図３（Ｂ）に示すように、フレーム・アセンブリ４８の一対の第１補強フレーム４４と断熱材層５５との間にはフレームスペーサ６４が配置されている。図示していないが、一対の第２補強フレーム４９と断熱材層５５との間にもフレームスペーサ６４が配置されている。また断熱材層５５のフレーム・アセンブリ４８への固定は、ボルトまたはネジ部材５４を用いて行われている。

また本実施の形態の植物栽培用照明装置２５では、フレーム・アセンブリ４８の周囲に栽培ラック３の柱５と梁７にフレーム・アセンブリ４８を取り付ける際に使用される枠板６５が、ボルト６７を用いて固定されている。図７に示すように、枠板６５の長さを長くして、その内側に反射板６９を備えた構造を採用してもよい。このような構成を採用すると、ＬＥＤ３５から出た光を可能な限り、栽培空間領域２１内で拡散することができるので、ＬＥＤ３５からの光の放射量が少なくても、植物の育成に必要な光の照射を少ない消費電力で実現することができる。

上記実施の形態では、帯状のアルミ板からなる熱伝導性支持体４１を用いているが、ＬＥＤ基板３３をフレーム・アセンブリ４８の支持フレーム４３に直接固定して、支持フレーム４３を導電性支持体として利用してもよいのは勿論である。

［第２の実施の形態］
図８は、本発明の植物栽培用照明装置の第２の実施の形態で用いるフレーム・アセンブリ４８´の平面図である。図９（Ａ）は植物栽培用照明装置２５´の主要部の概略横断面図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＢ−Ｂ線概略断面図である。図９（Ａ）及び（Ｂ）においては、理解を容易にするために、断熱材層５５とスペーサ５９にだけ、断面であることを示すハッチングを施してある。図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）乃至（Ｃ）に示した第１の実施の形態の植物栽培用照明装置２５と同時の部分には、図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）乃至（Ｃ）に付した符号と同じ符号を付しており、類似する部分には図３（Ａ）及び（Ｂ）並びに図４（Ａ）乃至（Ｃ）に付した符号にダッシュ「´」を付した符号を付して詳細な説明を省略する。第２の実施の形態で用いるフレーム・アセンブリ４８´では、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示した第１の実施の形態で用いるフレーム・アセンブリ４８が備えている支持フレーム４３を備えておらず、２本の連結フレーム４５´及び４７´が、４本のＬＥＤ基板３３´を支持する支持フレームとして機能する。なお図６には、ＬＥＤ基板３３を点線で示してある。本実施の形態では、２本の連結フレーム４５´及び４７´と交差するように、４本のＬＥＤ基板３３が配置される。４本のＬＥＤ基板３３の両端は、２本の第２補強フレーム４９´に支持されている。本実施の形態では、熱伝導性支持体４１として用いる帯板状のアルミ板の厚みが、第１の実施の形態の熱伝導性支持体４１の厚みよりも厚いものが用いられている。また熱伝導性支持体４１とＬＥＤ基板３３とを接合する熱伝導性の高い両面テープ５１としてより熱伝導性が高いものが用いられている。本実施の形態のように、支持フレームが無いフレーム・アセンブリを用いると、軽量化と薄型化ができるという利点が得られる。

［断熱材層の効果の確認］
上記第１の実施の形態のように、断熱材層５５、光反射層５７及びスペーサ５９を設ける場合（図３，図５，図１０：実施例１）と、スペーサを除いた場合（図６：実施例２）と、断熱材層５５の下にＬＥＤ基板３３を配置する場合と（図１１：比較例１）と、断熱材層５５の下にＬＥＤ基板３３を配置して且つ断熱材層５５及び光反射層５７を設けない場合（図１２：比較例２）について実験を行って、断熱材層５５、光反射層５７及びスペーサ５９を有する構造の効果を確認した。実施例１のスペーサ５９に設けた貫通孔６０の直径は３ｍｍであり、実施例２の断熱材層５５に設けた貫通孔５３の直径は５ｍｍであった。

図１０乃至図１２は、便宜的に構成を示すものであるからＬＥＤ３５の数や、部材の寸法は、正確なものではない。実際に実験に用いた部品は、フレキシブルフラットケーブルを回路基材３８として使った。導体は幅２ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ、ＬＥＤ３５としては、表面実装用ＬＥＤパッケージ（電流0.69〜0.75A、電力16.6〜17.8W）を使用した。そして熱伝導性支持体４１としては、幅が回路基材３８と同じ２０ｍｍで、厚さ５ｍｍのアルミ板を使用した。そして一本のＬＥＤ基板３３に実装したＬＥＤ３５の数は６個で、４本のＬＥＤ基板３３を用いた。なお図１０乃至図１２には、図示していないが、熱伝導性支持体４１をアルミ製のフレーム・アセンブリに取り付けている。また断熱材層５５、光反射層５７、底面反射板２７を構成する材料として、古河電気工業株式会社が「MCPET」の商品名で販売しているマイクロ発泡樹脂シートを用いた。そして図１０の実施例では、栽培空間領域２１に面する表面に反射機能を持つ断熱材層５５と底面反射板２７との間の距離を、２８０ｍｍとした。そして図１１の比較例１では、熱伝導性支持体４１と断熱材層５５との間には隙間がある。そして栽培空間領域２１の温度及び照度の測定は、図１３に示す位置に温度センサまたは照度計を配置して行った。温度の測定結果は、図１４に示す通りである。

図１４の表において、「距離（ｍｍ）」は、測定場所の照明装置の表面から下方への距離である。そしてΔＴ（℃）は測定温度と室温との差（測定温度−室温）である。また「表面温度」は、栽培空間に露出する照明装置のＬＥＤ３５からＬＥＤ基板３３の長手方向に２０ｍｍ離れた左右の位置での表面温度の温度平均値をさす。図１０の実施例１では天面の断熱材層５５の表面温度であり、図１１の比較例１では光反射層５７の表面温度であり、図１２の比較例２では、ＬＥＤ基板３３の表面温度となる。

平均表面温度に関しては、図１０の実施例の場合が、大気温度との差ΔＴが一番小さい。図１０の実施例１と図１１の比較例１との比較より、ＬＥＤ基板３３を天面の断熱材層５５の裏面側（栽培空間側でない面側）に置いた方が平均表面温度を低くできることがわかる。これは、実施例１の場合には、ＬＥＤ基板の栽培空間側が断熱材５５で覆われており、放熱機能を有する熱伝導性支持体４１が断熱材層５５に覆われていないことによる。またＬＥＤ３５からの栽培空間に向けた方向の空間温度の測定では、図１０の構成＜図１１の構成＜図１２の構成の順で温度が高くなる。この結果から、栽培空間側に露出する照明装置の表面の温度を下げる実施例１及び２の構成が有効であることが実証された。即ち、ＬＥＤ基板３３の表面を断熱材層５５で覆い且つスペーサ５９を用いる構造が栽培空間内の温度上昇を抑制して、しかもより少ない光量によって植物を育成できること（消費電力が少なくて済むこと）が実証された。

図１５は、実施例１及び２並び比較例１及び２について同じ電力を供給して行った照度試験の結果を示している照度の測定位置は、照明装置から下方に２８０ｍｍ離れた床面とした。そして平均照度は、ＬＥＤ３５の垂直下を中心とした１００ｍｍ四方と、２００ｍｍ四方の床面における照度の平均とした。また最高照度は、１００ｍｍ四方の中での最高照度とした。この試験結果からは、スペーサ５９がない、実施例２において照度が最も高くなり、次に実施例１、比較例１及び比較例２の順であった。この結果から、本発明によれば、少ない消費電力で従来と同じ照度を得られることが確認できた。

本発明の植物栽培用照明装置では、非強制冷却型の熱伝導性支持体によりＬＥＤ基板を支持しているので、ＬＥＤ基板の冷却構造が大型化且つ高価になることがない。熱伝導性支持体が大型化しなければ、熱伝導性支持体及びＬＥＤ基板の設置スペースをより小さいものとすることができ、栽培棚の段数をできるだけ多くすることが可能になる。その上、栽培空間領域と非栽培空間領域とを仕切るようにＬＥＤ基板の表面側に配置された断熱材層を備えているので、ＬＥＤ基板及び熱伝導性支持体から放熱される熱が、栽培空間領域に直接及ぶことを阻止することができる。その結果、栽培空間領域の温度上昇を抑制できる。さらに光反射層を設けると、複数のＬＥＤから放射された光を効率よく植物に照射することができ、消費電力の少ないＬＥＤを用いたことと相俟って消費電力の削減を図ることができる。

１ 植物栽培装置
３ 栽培ラック
５ 柱
９ 底壁
１１ 漏水パン
１３ 栽培ベッド
１５ 栽培用植物
１７ タンク
１９ 配管
２１ 栽培空間領域
２３ 天板
２５ 植物栽培用照明装置
２７ 底面反射板
２９ 側面反射板
３１ 連通空間
３３ ＬＥＤ基板
３６ 絶縁層
３７ 回路導体
３８ 回路基材
３９ 非栽培空間領域
４１ 熱伝導性支持体
４３ 支持フレーム
４４ 第１補強フレーム
４５，４７ 連結フレーム
４８ フレーム・アセンブリ
４９ 第２補強フレーム
５３ 貫通孔
５４ ネジ部材
５５ 断熱材層
５７ 光反射層
５９ スペーサ
６３ 蓋部材
６４ フレームスペーサ
６５ 枠板
６７ ボルト
６９ 反射板

Claims (16)

1. 栽培用植物が配置される栽培棚の上方に配置されて、複数のＬＥＤから前記栽培棚上の前記栽培用植物に光を照射する植物栽培用照明装置であって、
   前記複数のＬＥＤが回路基材の表面に実装されて構成された１以上のＬＥＤ基板と、
   前記１以上のＬＥＤ基板の裏面側に配置されて前記１以上のＬＥＤ基板を支持し且つ前記１以上のＬＥＤ基板から放熱される熱を前記栽培棚が位置する栽培空間領域以外の非栽培空間領域に導く非強制冷却型の熱伝導性支持体と、
   前記栽培空間領域と前記非裁判空間領域とを仕切るように前記ＬＥＤ基板の前記表面側に配置され、前記複数のＬＥＤから照射される光を通す複数の貫通孔を備えて前記１以上のＬＥＤ基板の前記表面から放熱される熱が前記栽培空間領域に放熱されることを阻止する断熱材層と、
   前記断熱材層の前記栽培空間領域と対面する表面上に配置された光反射層とを備えていることを特徴とする植物栽培用照明装置。
2. 前記１以上のＬＥＤ基板は、所定の間隔を開けて平行に配置された１以上の複数のＬＥＤ基板であり、
   前記熱伝導性支持体は、前記回路基材よりも熱伝導性が高い金属製の複数の帯状板材であり、
   前記複数のＬＥＤ基板を支持した前記複数の帯状板材が配置される複数の支持フレームを含むフレーム・アセンブリをさらに備えており、
   前記断熱材層は、前記１以上のＬＥＤ基板及び前記フレーム・アセンブリを前記栽培空間領域と隔離するように、前記１以上のＬＥＤ基板及び前記フレーム・アセンブリの前記栽培空間と対向する側面を全体的に覆っている請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
3. 前記ＬＥＤ基板上に実装された前記複数のＬＥＤの周囲には、前記ＬＥＤ基板と前記断熱材層とに密着するスペーサをさらに備えている請求項１または２に記載の植物栽培用照明装置。
4. 前記スペーサは、光反射材料からなることを特徴とする請求項３に記載の植物栽培用照明装置。
5. 前記１以上のＬＥＤ基板と前記熱伝導性支持体との間には両者を密着した状態で接合する熱伝導性材料からなる接合層が配置されている請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
6. 前記熱伝導性支持体は、前記複数のＬＥＤ基板にそれぞれ対応して配置されて前記複数のＬＥＤ基板を支持する金属製の複数の支持フレームを含むフレーム・アセンブリからなる請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
7. 前記フレーム・アセンブリは、前記複数の支持フレームを連結する金属製の複数の連結フレームを備えている請求項６に記載の植物栽培用照明装置。
8. 前記フレーム・アセンブリの前記栽培空間領域とは反対側に位置する背面側には、上段に位置する栽培棚から漏れた水が前記フレーム・アセンブリにかかることを阻止する蓋部材が配置されている請求項２または６に記載の植物栽培用照明装置。
9. 前記フレーム・アセンブリと前記蓋部材とによって囲まれた囲繞空間が、前記非栽培空間領域の一部を構成しており、
   前記フレーム・アセンブリは、前記囲繞空間内の空気が前記フレーム・アセンブリの外部に流出するまたは排出できる構造を有している請求項８に記載の植物栽培用照明装置。
10. 前記断熱材層及び前記光反射層は、光反射特性を有するマイクロ発泡樹脂シートにより構成されている請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
11. 前記回路基材は、可撓性を有する回路基材である請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
12. 前記フレーム・アセンブリの外周部には、前記栽培空間領域側に延びて、前記複数のＬＥＤから放射された光を反射する反射部材が装着されている請求項２または６に記載の植物栽培用照明装置。
13. 前記断熱材層に設けられた前記貫通孔と前記ＬＥＤとの間に形成される隙間に、封止剤が封入されている請求項１に記載の植物栽培用照明装置。
14. 前記スペーサに設けられた前記貫通孔と前記ＬＥＤとの間に形成される隙間に、封止剤が封入されている請求項３または４に記載の植物栽培用照明装置。
15. 栽培用植物が配置される栽培棚の上に栽培空間領域を画定する天板を備え、前記天板に複数のＬＥＤから前記栽培棚上の前記栽培用植物に光を照射する植物栽培用照明装置が配置されている植物栽培装置であって、
    前記天板が、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の植物栽培用照明装置によって構成されていることを特徴とする植物栽培装置。
16. 風が流れる方向を規制できる通風設備を備えた植物栽培室内に、請求項１５に記載の植物栽培装置が配置されてなる植物栽培システムであって、
    前記植物栽培装置は、前記非栽培空間領域内に前記通風設備によって流れる風が流通するように設置位置が定められている植物栽培システム。

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