JP6033458B2 - 植物を照明するための照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、栽培面Ｅを規定する、植物を栽培するための支持体と、可視光線及び／又は紫外線を植物に照射する複数の照射源と、赤外線を植物に照射する複数の赤外線照射器と、を有している、植物を照明するための照明装置に関する。

更に本発明は、照明装置において使用するための、赤外線を植物に照射する照射器モジュールに関する。

例えば温室及び多段栽培での植物の栽培及び培養においては人工光源が使用される。それらの光源の放射スペクトルは、通常の場合、カロチン及びクロロフィルの葉緑素の吸収スペクトルに適合されている。

クロロフィル及びカロチンという名称のもとに、実質的に光合成に関与している多数の天然色素がまとめられている。溶媒に溶けたそれらの色素の吸収スペクトルにおいては二つの吸収極大値がはっきりと現れる。つまり、一方の吸収極大値は可視光線の４００ｎｍから５００ｎｍの間の紫及び青のスペクトル範囲にあり、他方の吸収極大値は可視光線の６００ｎｍから７００ｎｍの間の赤のスペクトル範囲にある。

植物の効果的な照明を保証するために、植物を照明するための人工光源の放射スペクトルは、上記の二つの波長領域において高い放射成分を示す。

光源として、例えばガス放電ランプ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）が使用される。ガス放電ランプは、充填ガスが満たされている放電チャンバを有し、その放電チャンバ内には二つの電極が配置されている。電極に印加される電圧に依存して、放電チャンバ内ではガス放電が生じ、それに伴い光線が放出される。放出される放射の波長を、充填ガスの選択によって制御することができ、また例えば、充填ガスを相応に添加することによって、クロロフィルの吸収スペクトルに適合させることができる。これに対して、ＬＥＤは限定的なスペクトル範囲にある光しか放出しないので、クロロフィルの吸収スペクトルに適合された放射スペクトルを生じさせるためには、波長が異なる複数のＬＥＤを相互に組み合わせる必要がある。つまり例えば、米国特許出願公開第２００９／０２５１０５７号明細書からは、複数のＬＥＤを備えている人工光源が公知であり、この光源においては、人工太陽光を生じさせるために、それぞれが異なる放射スペクトルを有している複数の発光ダイオードが組み合わされている。

もっとも、植物の効果的な栽培は、光合成の励起だけに依存するのではなく、植物内での水及び栄養素の輸送並びに二酸化炭素の同化にも依存する。植物内での水及び栄養素の輸送も、二酸化炭素の同化も、植物の気孔装置によって調整される。植物の気孔を介して、植物は周囲の空気との気体交換を調整し、特に空気からの二酸化炭素の吸収及び空気への酸素の排出を調整する。更には、植物の水分平衡も気孔の開口幅によって調整される。つまり、気孔が開かれると水の蒸発が強まり、これによって蒸散引力が生じ、その結果、根から葉までの水及び栄養素の輸送（水分の流れ）が高まる。

気孔の開口幅を複数の要因を介して調整することができる。そのような要因の例として、温度、水の供給量、葉内の二酸化炭素の濃度及び光の吸収が挙げられる。赤外線を用いる所期の照射によって、気孔の幅、従って光合成の効能を調整することができる。

国際公開第２０１０／０４４６６２号には、チャンバを備えている、植物用の照明装置が提案されており、この照明装置では、可視光線又は紫外線を植物に照射するための照射源の他に、赤外線を植物に照射するための複数の赤外線照射器がチャンバの側壁に配置されて設けられている。赤外線照射器によって、気孔が開くように植物の葉が加熱され、その結果、植物とその周囲との間の交換プロセスが促進される。

赤外線照射器が側方に配置されている結果、個々の植物は、栽培面における植え込み位置に依存して、赤外線照射器までそれぞれ異なる距離を有することになり、従って均一には照明されない。特に、栽培面の外側の領域は栽培面の内側の領域に比べて高い放射照度に晒されていることが分かった。しかしながら基本的に、植物の効率的な栽培を保証するためには、植物が一様に成長すること、従って全ての植物に対して均質な照明が行われることが望ましい。

また、赤外線照射器が側方に配置されている場合、栽培面に関して、多数の照射器が必要になるが、それらの照射器は、栽培面の外側の領域にある植物が過度の加熱による被害を受けないようにするために、出力が低いものでなければならない。しかしながら赤外線照射器の出力は一般的に高い。つまり、低出力の照射器の製造にはコストが掛かり、またそのような低出力の照射器の寿命は限定的でしかない。

更には、赤外線照射器が側方に配置されていることによって、照明装置内に設けられている別の構成部材、例えば照射源のための電気ケーブル及び組み付け部材も照明及び加熱され、また、照明装置内に設けられている照射源も照明及び加熱されるので、その結果、照明によってそれらの構成部材の寿命が短くなる。従って、赤外線照射器の側方の配置に付随して、ランニングコストが高まる。

米国特許出願公開第２００９／０２５１０５７号明細書 国際公開第２０１０／０４４６６２号

従って、本発明の課題は、寿命が長く、また紫外線及び／又は可視光線の植物への照射の他に、その紫外線及び／又は可視光線の照射に不必要に悪影響を及ぼすことなく、赤外線の植物への均一な照射を保証し、更には、栽培面に関して、少数の赤外線照射器しか必要としない、植物を照明するための照明装置を提供することである。

更に本発明の課題は、植物を照明するための照明装置において最適に使用するために設計されている、赤外線を植物に照射するための照射器モジュールを提供することである。

最後に、本発明が基礎とする課題は、電気的なエネルギを赤外線に変換する際の損失、赤外線を照射すべき植物に向ける際の損失、複数の光源の相互的な遮光、また、他のエネルギ損失を最小にすることである。

照明装置に関して、この課題は、冒頭で述べたような装置を基礎として、本発明によれば以下のことによって解決される。即ち、赤外線照射器が、８００℃から１，８００℃までの温度を生じさせるように設計されており、また各赤外線照射器が、５０ｍｍから５００ｍｍまでの範囲の放熱管長さを備えている円筒状の放熱管を有しており、各放熱管が、栽培面Ｅの上方に位置する照射器ゾーンＺ内で相互に平行に延在しており、栽培面Ｅの面積に関する赤外線照射器の面密度が、０．２ｍ^-2から１．０ｍ^-2の間の範囲にあり、栽培面Ｅにおける平均放射照度が、最大で５０％の変動幅を伴って１０Ｗ／ｍ²から１００Ｗ／ｍ²の間の値を取るように、隣接している赤外線照射器の照明領域が栽培面Ｅにおいて重畳しており、また、放熱管の上面には構造空間Ｂに対向している反射器が配置されていることによって、上記の課題は解決される。

自然条件下での植物の成長に必要とする太陽光は、紫外線、可視光線及び赤外線の放射成分を有している。従って自然の成長条件を再現するために、人工の照明装置は、紫外線及び／又は可視光線（以下では略してＵＶ放射及びＶＩＳ放射とも記す）を生じさせるための照射器の他に赤外線照射器も有している。このタイプの照射器を使用することによって、人工的な栽培条件下で、一方では、植物に光合成に必要とされる放射が供給され、また他方では、植物は、植物内での最適な水及び栄養素の輸送が生じるように、赤外線照射器を介して葉の気孔の開口幅を調整することができる。それらの措置によって、植物の速い成長及び高い生産性が保証される。

もっとも、植物の可能な限り均一な成長を保証するためには、植物を可能な限り均一に、つまりほぼ一定の放射照度で照明することが必要になる。このことは特に、赤外線を植物に照射する場合にも当てはまる。赤外線の放射照度が局所的に過度に高くなると、その照射に関係する植物に悪影響が及ぼされる。これに対して、放射照度が過度に低い場合には、赤外線が気孔の開口幅に及ぼす作用が失われ、従って植物の成長が遅くなる。

本発明による照明装置では、赤外線照射器が栽培面Ｅの上方に位置する照射器ゾーンＺ内に配置されている。ここで重要であることは、赤外線照射器が栽培面Ｅにおいて、全体として均一な照明面を形成することである。これによって、専ら照明面の側方に配置されていた赤外線照射器を省略することができる。

栽培面Ｅにおいて総じて均一な照明面を達成するために、赤外線照射器の放熱管の長手軸が相互に平行に延びるように、複数の赤外線照射器が照射器ゾーンＺ内に相互に配置されており、且つ均一に分散されている。放熱管を平行に配置することによって、特に平面の均一な照明、例えば植物成長によって規定される植物面又は栽培面の均一な照明に適している、赤外線の平面状の放出が保証される。

照射器ゾーンＺ内に赤外線照射器を均一に分散させるからといって、ＵＶ照射器及びＶＩＳ照射器が栽培面Ｅにおいて影になることは甘受されるべきではない。従って、均一な赤外線照射だけでなく、ＵＶ放射及びＶＩＳ放射により生じる栽培面Ｅ上での影の最小化が目標とされる。

放熱管の上方において、本発明による照明装置は構造空間Ｂを有している。この構造空間内には、照明装置の動作に必要とされる多数の構成部材、例えば赤外線照射器又は別の照射源のための電気ケーブル又は組み付け部材が配置されている。従って基本的には、赤外線放射／熱放射による構造空間の構成部材の過熱を回避することが望ましい。

構造空間及びその内部に設けられている構成部材の過熱は、本発明によれば、放熱管がその上側に、構造空間の方向へと放出される赤外線放射の伝播を低減させる反射器を有していることによって低減される。もっとも、その種の反射器はそれと同時に、例えば照射器ゾーンＺ内に配置されているＵＶ照射器及びＶＩＳ照射器に由来するＵＶ放射／ＶＩＳ放射の伝播を妨げる虞があるので、ＵＶ放射／ＶＩＳ放射の可能な限り広範な放射伝播は、栽培面Ｅに関して可能な限り少ない数の赤外線照射器が使用されることによって、またＵＶ放射／ＶＩＳ放射の遮光が低減されるように反射器が成形されることによって保証される。

ＵＶ放射／ＶＩＳ放射の遮蔽を少なくする以外にも、赤外線照射器の放射特性は重要な役割を担っている。つまり赤外線照射器の放射特性によって、赤外線放射が単純に下方にのみ反射されるのではなく、広範な照明領域に分散されるべきである。

栽培面Ｅを均一に照明するのと同時に、赤外線照射器の数を可能な限り少なくすることは、本発明によれば、加熱コイルの中心点を通る水平線よりも上の領域から放出された赤外線が、照射器モジュールから遠く離れた領域へと偏向されるように、放熱管の上方における反射器が成形されていることによって達成される。

従来の反射器、例えば放物面反射器又は双曲面反射器は、この機能を満たさない。何故ならば、それらの反射器は放射を特に放熱管の直下にある領域へと反射させるからである。

照射器の数が少なくなることによって、それに伴い反射器の数も少なくなる。それらの反射器は、放射による影を小さくしながら、それと同時に比較的大きい寸法を有するように設計することができるので、従って反射器は栽培面Ｅにおける均一な照明により一層寄与する。栽培面に関する赤外線照射器の数の最適な範囲は、０．２ｍ^-2から１．０ｍ^-2の間である。１平方メートル当りの赤外線照射器の数が０．２よりも少ない場合、均一な放射分布はコストを掛けることでしか、例えば大きい反射器を複数用いることでしか達成されないが、その場合には、照射器ゾーンＺ内に同様に設けられているＵＶ照射器及びＶＩＳ照射器の放射が妨げられる。１平方メートル当りの赤外線照射器の数が１．０よりも多い場合には、赤外線の照射の効率が低下する。何故ならば、非常に小型の赤外線照射器では、電気エネルギから赤外線放射への変換効率が明らかに低いからである。更には、組み付けコスト及び保守コストがユニットの数と共に増加する。

更には、栽培面に関する照射器の数を少なくすることによって、小型といえども出力の高い赤外線照射器を使用することができるので、そのような赤外線照射器は、比較的大きく且つ比較的出力が低い赤外線照射器に比べて変換効率が高く、従って損失熱が少なく、また比較的長い寿命を有している。この理由から、円筒状の放熱管の長さは５０ｍｍから５００ｍｍまでの範囲にある。

その種の照射器の比較的長い寿命は、個々の照射器が可能な限り高い電圧、例えば２４Ｖから電源電圧までの範囲にある電圧で動作されることによって達成される。これによって、例えば、変圧器の数も少なくて済むので、その結果、変換器に起因する熱損失も少なくできる。しかしながらその電圧範囲では、比較的大きいが出力は弱い照射器を、弱い電流強度でしか動作させることができないので、これによって、非常に小さいフィラメント直径（０．４ｍｍ未満）を有する直線状のフィラメントを使用しなければならなくなるが、そのような直線状のフィラメントは一般的に機械的な安定性が低く、不均等な温度分布を生じさせ、また寿命も短い。

栽培面の均一な照明を達成するために、少数の照射器を使用する場合には、隣接する照射器の照明領域を重畳させ、平均放射照度が最大で５０％の変動幅を有していることが必要になる。変動幅とは、栽培面Ｅのある点での実際の放射照度の、平均放射照度からの最大偏差であると解される。本発明によれば、実際の放射照度は、栽培面Ｅにおける平均放射照度から最大で±５０％偏差する。栽培面における平均放射照度からの偏差は、有利には２０％、特に有利には１０％である。更には、植物を最適に成長させるためには、赤外線照射器の放射スペクトルが重要になる。植物の吸収スペクトルは、７００ｎｍを下回る波長領域並びに２．５μｍを上回る波長領域において吸収量が多いことを特徴としている。０．７μｍから２．５μｍの間の範囲では、約５％の基本吸収が観測され、またほぼ無指向性の散乱が観測される。この範囲の波長を有する放射は、植物の葉の一番上の層を通り抜けることに適している。つまり基本的には、そのような放射は、葉の下側の層の照明にも利用することができるが、しかしながら極めて僅かにしか吸収されない。最適な植物の成長は、加熱フィラメントが８００℃から１，８００℃までの温度、有利には８５０℃から１，５００℃までの範囲の温度を生じさせるように設計されている場合に達成される。

定格電圧において上述の範囲のフィラメント温度を有している照射器は、０．７μｍから３．５μｍの間の範囲にある波長において照度最大値を有している放射を放出する。

ここでは、上側の階層にある葉のみを最適に照明することが目標とされる用途と、下側の階層にある葉も照明されるべき用途とが区別される。中波の熱赤外線照射器の使用は、一番上の層にある葉において全ての放射がほぼ吸収又は反射されるべき場合には有利である。その種の照射器は定格電圧において、８００℃から１，０００℃の間の範囲のフィラメント温度を有している。定格電圧において１，４００℃から２，２００℃の間の範囲、有利には１，４００℃から１，８００℃の間の範囲のフィラメント温度を有している短波の熱赤外線放射は、特に上側の層にある葉を通り抜けることに適している。

１，０００℃から１，４００℃の間の過渡領域のフィラメント温度において生じる放射では、上記の二つのメカニズムからなる混合形態が達成される。

本発明による装置の第１の有利な実施の形態では、栽培面における平均放射照度が１０Ｗ／ｍ²から５０Ｗ／ｍ²までの値を有している。

栽培面において必要とされる平均放射照度は、栽培すべき植物の種類並びに他の周囲環境に依存する。多くの種類の植物に対して、１０Ｗ／ｍ²から５０Ｗ／ｍ²までの範囲の放射照度が成長を促進させ、従って、栽培室における植物の平均保管期間を短縮することが分かった。

本発明による照明装置の同様に有利な別の実施の形態では、複数の赤外線照射器がその長手軸の方向において相前後して並んで配置されており、また隣接する赤外線照射器はその長手軸の方向において相互に０．９ｍから２．３ｍまでの間の距離、有利には１．１ｍから１．７ｍまでの間の距離を置いて配置されている。

栽培面への紫外線／可視光線並びに赤外線の均一な照射が可能な限り廉価であることを保証するために、相反する特性、又は相互的に影響を及ぼす特性、例えば照射器の出力、照射器の大きさ及び照射器の面密度を最適化しなければならない。基本的には、赤外線照射器の照射器密度は低い方が好ましい。しかしながら、隣接する赤外線照射器の距離が０．９ｍよりも短くなると、照射器密度が比較的高くなり、またそれに伴い、照射器当りの定格出力が低くなり、更には、設置コスト及びランニングコストも高くなる。隣接する赤外線照射器がその長手軸の方向において、２．３ｍよりも長い距離を有している場合には、栽培面への赤外線の均一な照射はコストを掛けることでしか達成されない。

有利には、赤外線照射器は平行な列を成して配置されており、その場合、隣接する列は、それら隣接する列の赤外線照射器が相互に隣り合って配置されているように延びている。

つまり、隣接する列の赤外線照射器は、相互にずらされて「互い違いに」設置されるのではなく、それらの赤外線照射器の両端部は、照射器ゾーンＺ内の照明フィールドの同じ長手方向位置にある。つまり隣接する赤外線照射器は同じ長さである。それによって、反射器の形状と関連して、相互的な影響が比較的少なくなり、植物面においては最適で一様な照明密度が生じる。

またこの関係において、相互に平行に配置されており且つ隣接している赤外線照射器が相互に１ｍから３ｍまでの間の距離、有利には１．３ｍから２．５ｍまでの間の距離、特に有利には１．５ｍから１．８ｍまでの間の距離を有している場合が有利であると分かった。

赤外線照射器が、栽培面まで１．０ｍ±０．５ｍの範囲の距離を有している場合には有利であることが分かった。更に長い距離に関しては、既述の全ての寸法及び出力を相応にスケーリングする必要がある。

赤外線照射器から栽培面までの距離は、栽培面Ｅにおける放射照度及びその分布に影響を及ぼす。植物の種類に応じて、赤外線照射器と栽培面との間の０．５ｍから１．５ｍまでの距離が有利であると分かった。０．５ｍを下回る距離の場合、植物の照明は、その植物の成長した高さが低い間しか行えない。赤外線照射器の距離が１．５ｍを超えてしまうと、照明装置の小型の構造に影響が及ぼされる。

本発明による照明装置の一つの有利な修正形態においては、反射器が、長手軸の方向に見て、７０ｍｍから６５０ｍｍの間、有利には２５０ｍｍから４５０ｍｍの間の範囲の長さと、５０ｍｍから１６０ｍｍの間、有利には８０ｍｍから１３０ｍｍの間の範囲の幅と、を有している。

反射器の長さは放熱管の長さに適合されている。７０ｍｍを下回る長さの反射器は、赤外線照射器の放熱管長さが少なくとも５０ｍｍである場合には、構造空間の方向への赤外線放射の放出を低減させることに限定的にしか適していない。更に、放熱管の長さがそのように短い場合には、多くの赤外線照射器が必要になり、これによって、故障が発生する確率、設置コスト及びランニングコストが高まる。最大で５００ｍｍの長さの放熱管のもとで、反射器の長さが６５０ｍｍを上回ると、紫外線及び／又は可視光線の遮蔽が増加する。更に、比較的大きい反射器の使用は不利である。何故ならば、その場合には、比較的大きいにもかかわらず出力が比較的低く、更には弱い電流強度で動作される照射器も使用しなければならないからである。そのような照射器ではやはり、フィラメント直径が非常に小さい（０．４ｍｍ未満）直線状のフィラメントを使用することが必要になる。そのようなフィラメントは一般的に機械的な安定性が低く、不均等な温度分布を生じさせ、また寿命も短い。

同じ理由から、５０ｍｍから１６０ｍｍの間の反射器の幅は、上方に向けられた赤外線放射の遮蔽と、栽培面への紫外線及び／又は可視光線の照射の妨害との間の適切な妥協案を提供する。

本発明による照明装置の同様に有利な修正形態では、反射器が拡散反射性の表面を有している。

光の拡散反射は、向きの異なる複数の面要素を有している粗い表面に光が入射した際に生じる。拡散反射性の表面に入射した光線は、表面構造によって多数の異なる方向へと反射され、その結果、散乱光が得られる。散乱光は特に、均等な放射照度を生じさせることに適している。何故ならば、放射照度における極大値が低下し、栽培面Ｅにおける最小の放射照度と最大の放射照度との差が小さくなるからである。

ここで、表面が機械的に型押しされた構造化部を有している場合、即ち、例えばハンマー加工されたアルミニウムから作製されている場合が有利であると分かった。これについては、例えばALANOD Aluminium-Veredlung GmbHのMIRO（登録商標）-DESSIN材料が適していると考えられる。

ハンマー加工されたアルミニウムから成る表面は拡散反射を生じさせ、またその粗い表面構造に基づき、放射損失を減少させ、更にはそのような表面を簡単且つ廉価に作製することが可能である。

本発明による照明装置の一つの別の有利な実施の形態では、放熱管の被覆面の側面領域に、長手軸方向に延びる第１の反射器ストリップが取り付けられている。

放熱管の被覆面に取り付けられた反射器ストリップは、被覆面のその領域において、赤外線放射の放出を阻止する。それによって、同様に照射器ゾーンＺ内に設けられているＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における側方への放出が低減されるだけでなく、構造空間の方向への放出も低減され、しかも、被覆角度の大きさに応じて低減される。放熱管に反射器ストリップを直接的に取り付けることによって、効率を維持しながら、放熱管の上方に設けられている反射器を小型化することができ、これは構造空間の方向における赤外線放射の伝播の低減に関係する。更には、放熱管の上方に設けられている比較的小型の反射器によって、照射器ゾーンＺ内に組み付けられているＵＶ照射器／ＶＩＳ照射器から放出される光線の妨害が少なくなるので、その結果、紫外線及び／又は可視光線の均一な照射が実現される。

金、不透明な石英ガラス（二酸化ケイ素）又はセラミック（例えば酸化アルミニウム）から反射器ストリップが作製されている場合には有利であることが分かった。

それらの材料から成る反射器ストリップは、赤外線の領域では強い反射を示し、また良好な化学的耐性を示し、また部分的には、高い温度耐性を示す点で優れている。更には、それらの反射器ストリップを簡単に放熱管に取り付けることができる。

放熱管が円形の断面を有している場合には好適であることが分かった。その場合、反射器ストリップは、フィラメントの中心点を通って延びる水平線に対して、−４０°から＋４０°の間、有利には−３０°から＋３０°の間の被覆角度を成す、放熱管の円弧を覆っている。

その種の被覆角度を有する反射器ストリップは、水平線よりも上及び下の側方において放熱管を覆っている。水平線よりも上の被覆角度と水平線よりも下の被覆角度が異なっていても良く、その場合、必要であれば、水平線よりも下の被覆角度の値が有利には水平線よりも上の被覆角度よりも小さくされる。反射器ストリップが水平線の上下に位置する被覆角度領域内に配置されていることによって、一方では、水平線に関して平坦な放出角度を有する、構造空間の方向及び照射器ゾーン内のＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における赤外線の放出を低減することができ、また他方では、平坦な放出角度を有している、斜め下の方向における赤外線の放出を低減することができる。

本発明による照明装置の最後に説明した実施の形態の有利な構成では、別の反射器ストリップが被覆面に取り付けられており、この別の反射器ストリップは、フィラメントの中心点を通って延びる垂直線について、第１の反射器ストリップに対して鏡面対称に配置されている。

第１の反射器ストリップに対して鏡面対称に取り付けられている別の反射器ストリップは、栽培面の対称的で均一な照明に寄与する。

反射器ストリップが拡散反射性の表面を有している場合には有利であることが分かった。

その種の反射器ストリップは、栽培面Ｅの均質な照明に寄与する。

本発明による照明装置の一つの有利な修正形態では、放熱管の側方において、複数の付加的な反射器がそれぞれ反射器平面に配置されており、その場合には、反射器平面が水平線に対して２５°から７０°の間の角度を成し、また、反射器の寸法及び放熱管からの距離は、以下のように、調整されている。即ち、それらの反射器によって、赤外線照射器から放出される赤外線放射が、放熱管のフィラメントの中心点を起点として、それぞれが水平線に対して−４０°から＋４０°の間の角度、有利には−３０°から＋３０°の間の角度を成す二つの平面によって表される空間領域へと直接的に放出されることが阻止されるように、反射器の寸法及び放熱管からの距離は調整されている。

放熱管の側方に配置されている二つの付加的な反射器は、直線状に成形されているか、又は円錐曲線として成形されている。それらの側方の反射器は、フィラメントの中心点を通って延びる水平線に対して−４０°から＋４０°の間の角度、有利には−３０°から＋３０°の間の角度を成す放熱管の円弧の領域に由来する放射を反射する。またそれらの側方の反射器は、水平線に対して２５°から７０°の間の角度で設けられている。

水平線よりも上の被覆角度と水平線よりも下の被覆角度が異なっていても良く、その場合、必要であれば、水平線よりも下の被覆角度の値が有利には水平線よりも上の被覆角度よりも小さくされる。側方の反射器が水平線の上下に位置する角度領域を覆っていることによって、一方では、水平線に関して平坦な放出角度を有する、構造空間の方向及び照射器ゾーン内のＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における赤外線放射の放出を低減することができ、また他方では、斜め下の方向における赤外線放射の側方の放出を、水平線に対する反射器の角度を調整することによって、又は、円錐曲線の種類及び形状を介して制御することができる。

本発明による照明装置の最後に説明した実施の形態の一つの有利な構成では、側方の反射器が拡散反射性の表面を有している。

本発明による照明装置の別の有利な修正形態では、反射器に二つの翼部が接続されており、それらの翼部は水平線に対してそれぞれ２０°から４０°の間の範囲の角度を成している。

翼部は特に、構造空間の方向への赤外線放射の放出を低減する。更に、翼部は照射器ゾーン内のＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における赤外線放射の側方への放出も低減させる。従ってそれらの翼部は、上記において説明したように、照明装置の高いエネルギ効率に寄与する。

反射器が反射器鏡映面に対して鏡面対称性を有している場合には有利であることが分かった。その場合、反射器鏡映面に対して垂直の方向における断面では、反射器の対称性をなしている部分の半部の形状が円錐曲線によって表され、その場合、反射器は中心に向かうに連れて放熱管の方向へと尖っていく経過を有している。

円錐曲線は、円錐又は双円錐の表面を任意の平面で切断したときの断面である。円錐曲線は、例えば楕円、放物線又は双曲線であり、式ｙ²＝２Ｒｘ−（ｋ＋１）ｘ²によって定義される。ここでＲは曲率半径であり、ｋは円錐曲線の円錐定数である。この種の反射器を用いることによって、特に照明領域が大きい照明の場合には、栽培面における均一な照明分布を達成できることが分かった。

放熱管の表面の少なくとも一部が散光器として機能し、入射した放射を拡散性に散乱させる場合には好適であることが分かった。

入射した放射を拡散性に散乱させる表面によって、放射の伝播は基本的には均一で無指向性となる。従って、散光器は照明装置における植物の均一な照明に寄与する。一つの有利な実施の形態では、放熱管の表面全体が散光器として構成されている。

これに関して、放熱管は有利には、散光器として機能し、且つ、平均粗さＲａを有する粗面化された表面を備えている。ここで平均粗さＲａは、０．３μｍから１０μｍの間の範囲、有利には０．８μｍから３μｍの間の範囲にある。

粗面化された表面は散光器として機能するが、その散光特性は表面の平均粗さに依存する。平均粗さＲａはドイツ工業規格DIN EN ISO 4288:1988に従い、垂直方向測定量として求められる。その種の粗さを有する粗面化された表面によって生じる散乱はほぼランバート散乱である。反射器に入射した放射の後方散乱の割合は０％から６％の間である。０．３μｍよりも低い平均粗さを有する表面では、後方散乱される放射の割合が高い。

照明装置が側壁を備えているハウジングを含み、それらの側壁のうちの少なくとも一つの側壁には反射シート、例えばアルミニウムから成る反射シートが取り付けられている場合には好適であることが分かった。

照明装置の側壁に取り付けられている反射シートによる反射性の内側ライニングは、何よりも放射損失を低減させ、また栽培面に関する放射照度の均一な分布に寄与することができる。対向する二つの側壁又は四つ全ての側壁に反射シートが取り付けられている場合には、非常に対称的で均質な放射分布が得られる。

反射性の内側ライニングを使用する場合には、特に、放射の一部が水平線に関して平坦な角度で下方に向かって、照射モジュールから更に離れた領域へと放出されるように構成されている反射器を備えている赤外線照射モジュールを使用することができ、これは、その照射モジュールの照明領域を、一番近くに隣接している照射モジュールの奥に位置し且つ平行に配置されている照射モジュールの照明領域に重畳させることに寄与し、また栽培面に関する放射照度の均一な分布に寄与する。

反射性の内側ライニングが使用されない場合には、特に、放射の大部分が照射モジュールの下方に位置する領域へと放出され、その結果、その照射モジュールの照明領域が主として、一番近くに隣接しており且つ平行に配置されている照射モジュールの照明領域と重畳するように構成されている反射器を備えている照明モジュールを使用することができる。

照射器モジュールに関して、上述の課題は、冒頭で述べたような照射器モジュールを基礎として、本発明によれば、赤外線照射器が、放熱管長手軸と、５０ｍｍから５００ｍｍまで、有利には１５０ｍｍから３５０ｍｍまでの放熱管長さと、その内部に配置されている、８００℃から１，８００℃までの温度を生じさせるように設計されている加熱フィラメントと、を備えた円筒状の放熱管を有し、放熱管の側面には反射器が配置されていることによって解決される。

照射器モジュールは、本発明による照明装置において使用するために設けられている。この照明装置については、上述の説明を参照されたい。

照射器モジュールは植物を照明するために設計されている。特に、５０ｍｍから５００ｍｍまで、有利には１５０ｍｍから３５０ｍｍまでの放熱管長さを有している円筒状の放熱管を備えている赤外線照射器は、栽培面における均一な放射照度に関して良好な結果が達成されるスケールを有している。それらの赤外線照射器は、栽培面において、１０Ｗ／ｍ²から１００Ｗ／ｍ²までの平均放射照度を達成することに適している。

更に、加熱フィラメントが８００℃から１，８００℃までの温度を生じさせるように設計されている場合には、最適な植物成長が達成されることが分かった。定格電圧において上述の範囲のフィラメント温度を有している照射器は、０．７μｍから３．５μｍの間の範囲にある波長において照度最大値を有している放射を放出する。従って、放出された放射は上側の層にある葉の照明にも、下側の層にある葉の照明にも使用される。

適切な修正形態は、本発明による照明装置についての上記の説明を参照されたい。

以下では、複数の実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

照射器ゾーンを備えている、植物を照明するための本発明による照明装置の第１の実施の形態を示す。 本発明による照明装置の第２の実施の形態に関する、放射照度のレイトレーシングシミュレーションを示す。 本発明による照明装置において使用するための、本発明による照射器モジュールの一つの実施の形態を示す。 本発明による照明装置において使用するための、本発明による別の照射器モジュールの側面図を示す。 所定の角度範囲における放射放出を低減させるための二つの反射器ストリップが放熱管に取り付けられている、赤外線照射器を備えている本発明による照射器モジュールの別の実施の形態の断面図を示す。 放熱管の側方に二つの付加的な反射器が設けられている、本発明による照明装置において使用するための、本発明による照射器モジュールの別の実施の形態の断面図を示す。 二つの翼部が反射器に接続されている、本発明による照明装置において使用するための、本発明による照射器モジュールの別の実施の形態の断面図を示す。

図１には、植物を照明するための照明装置が示されており、この照明装置に対しては全体として参照番号１が付されている。照明装置１は、多段栽培における使用が予定されており、またハウジング１５を備えている。このハウジング１５内には、植物を栽培するための５つの植物モジュール（段）が上下に重ねられて配置されているが、図１においては分かり易くするために、それらの植物モジュールのうち２つの植物モジュール１０，２０のみが示されている。図示していない植物モジュールも植物モジュール１０，２０と同一の構造を有している。ハウジングの両側壁１６，１７には反射シート１８ａ，１８ｂがそれぞれ取り付けられている。

植物モジュール１０，２０は、支持体２と、その支持体２の上方に配置されており、且つ電気ケーブル及び組み付け部材を有している構造空間Ｂと、その構造空間の下方に配置されている照射器ゾーンＺと、を含んでいる。支持体２には土が満たされており、また多数の植物３が植えられている。植物が植えられている支持体の表面は栽培面Ｅを規定している。照射器ゾーンＺは栽培面Ｅの上方に設けられている。照射器ゾーンＺ内には複数のＬＥＤバー４ａ，４ｂ，４ｃが配置されており、それらのＬＥＤバー４ａ，４ｂ，４ｃは主として、可視光線の範囲及び紫外線の範囲にある波長を有する光線５を放出する。また照射器ゾーンＺ内には、植物に赤外線放射６を照射するための照射器モジュール７も複数設けられている。

各照射器モジュール７は赤外線照射器８を一つずつ有しており、それらの各赤外線照射器８には、栽培面上の一つの照明領域Ｆが対応付けられている。照明領域Ｆは、赤外線照明をシンボリックに表している、破線で表されている線６によって示唆されている。

赤外線照射器８はそれぞれ、１１５ボルトの公称電圧において１００Ｗの公称電力が得られるように設計されている。またそれらの赤外線照射器８は、１３．７ｍｍの外径及び２４０ｍｍの放熱管長さを備えている、石英ガラス製の円筒状の放熱管を有している。

放熱管の、栽培面Ｅ側の面は、３．５μｍの平均粗さを有している。従って、この面は散光器として機能する。放熱管内には、公称電力での動作において９００℃の温度で動作する加熱フィラメントが配置されている。

赤外線照射器８の、栽培面Ｅ側とは反対側の面には、反射器９が配置されており、この反射器９は、各赤外線照射器８から放出された赤外線放射の、構造空間Ｂの方向における上方への伝播、及び、ＬＥＤバー４ａ，４ｂ，４ｃの方向における側方への伝播を低減させる。各反射器９は、自身に対応付けられている赤外線照射器８に平行に延在しており、また、３９０ｍｍの長さ及び１２０ｍｍの幅を有している。反射器９は鏡面対称性の反射器基体を有しており、その鏡面対称性をなしている部分の半部の表面形状の断面は放物線によって表される。反射器９には二つの翼部９ａ，９ｂが接続されている。二つの翼部９ａ，９ｂはそれぞれ、水平線に対して３０°の角度を成している。反射器９及び翼部９ａ，９ｂの、赤外線照射器８側の面の表面は、ハンマー加工されたアルミニウムから作製されている。つまりそれらの表面は拡散反射性に作用する。

一つの択一的な実施の形態では、放熱管の被覆面の一つの側面領域に、長手軸方向に延びる金製の反射器ストリップが取り付けられており、またその側面領域と鏡面対称性をなす側面領域には別の反射器ストリップが取り付けられている。それらの反射器ストリップは、構造空間の方向及び照射器ゾーン内の他の照射源の方向への赤外線放射６の放出を低減させる。反射器ストリップは、フィラメントの中心点を通って延びる水平線に対して−２°から＋２５°の間の被覆角度（但し、負の値は水平線よりも下の被覆領域に対応付けられている）を成す、放熱管横断面の円弧をそれぞれ覆っている。

赤外線照射器８の長手軸方向には、同一構造の複数の照射器モジュール７が相前後して並んで配置されている（図示せず）。隣接する赤外線照射器８は、その長手軸方向において相互に１．５４ｍの距離を置いて設けられている。赤外線照射器の長手軸方向に対して垂直な方向において隣り合っており、且つ、相互に平行に配置されている赤外線照射器間の距離は１．６５ｍである。赤外線照射器から栽培面Ｅまでの距離は１．０ｍである。

各赤外線照射器８は照射器ゾーンＺ内で、それらの放熱管の長手軸が相互に平行に延びるように配置されている。つまり、それらの赤外線照射器８の両端部が、照明フィールドの同じ長手方向位置にあるように、赤外線照射器８は並置されている。栽培面の面積に関する赤外線照射器の数は０．４ｍ^-2である。更に、赤外線照射器８は照射器ゾーンＺ内で、それらの赤外線照射器８の照明領域Ｆが側方において重畳し、栽培面における平均放射照度が３０Ｗ／ｍ²となるように配置されている。

図２には、植物を照明するための本発明による照明装置２００の第２の実施の形態の赤外線放射による放射照度のレイトレーシングシミュレーションが示されている。またこの図２には、赤外線照射器から１ｍの距離にある植物面における放射照度が単位Ｗ／ｍｍ²で示されている。

レイトレーシングシミュレーションの基礎をなしている照明装置２００は、隣接して配置されている４つの植物テーブル２０１，２０２，２０３，２０４を有しており、それらの植物テーブルが合わさって照明装置の栽培面を規定している。各植物テーブル２０１，２０２，２０３，２０４は、６ｍの長さ及び１．６５ｍの幅を有している。各植物テーブル２０１，２０２，２０３，２０４の上方における照射器ゾーンＺ内には、それぞれが赤外線照射器を一つずつ備えている、５つの照射器モジュール２０５が配置されている。栽培面に関して、赤外線照射器の数は約０．５ｍ^-2である。赤外線照射器の公称電力は（１１５Ｖの公称電圧において）９６Ｗである。赤外線照射器は、２６０ｍｍの放熱管長さ及び１０ｍｍの放熱管外径を有しており、また、放熱管内に加熱フィラメントが配置されていることを特徴とする。赤外線照射器から栽培面までの距離はそれぞれ１．０ｍである。放熱管の栽培面Ｅ側とは反対側の面には、図３に示す反射器が配置されている。照射器ゾーンＺの同じ高さには、紫外線の範囲及び可視光線の範囲にある放射を放出する複数のＬＥＤバーが配置されている（図示せず）。均質な放射照度を保証するために、照明装置２００の二つの側壁には、反射性の内側ライニング２０６，２０７がそれぞれ設けられている。

更にグラフ２０９は、植物テーブル２０２の長手方向における、植物テーブル２０２の中心軸２０８に沿った放射照度の経過を単位Ｗ／ｍｍ²で示している。グラフ２１１は、照明装置２０２の中心軸２１０に沿った放射照度の経過を表している。２０Ｗ／ｍ²の最小放射照度及び３２Ｗ／ｍ²の最大放射照度での、栽培面Ｅ全体についての平均放射照度は２７Ｗ／ｍ²である。

図３には、本発明による照明装置において使用するための、赤外線放射を植物に照射する照射器モジュール３００の一つの実施の形態が示されている。照射器モジュール３００は、照射器長手軸３０５を備えた赤外線照射器３０１並びに反射器３０２を含んでいる。

赤外線照射器３０１は、石英ガラス製の円筒状の放熱管３０３並びにその放熱管３０３内に配置されている加熱フィラメント３０４を有している。赤外線照射器は２７０ｍｍの放熱管長さ及び１０ｍｍの外径を有していることを特徴とする。加熱フィラメント３０４はタングステン線から作製されている。加熱フィラメント３０４の長さは２４０ｍｍである。照射器の公称電力は、１１５Ｖの公称電圧において９６Ｗである。

反射器３０２は、照射器長手軸３０５の方向において３５０ｍｍの長さを有しており、また、その照射器長手軸３０５に対して垂直な方向において９４ｍｍの幅を有している。反射器３０２は鏡面対称に構成されている。鏡面対称性をなしている部分の半部の反射器表面は湾曲部を有しており、その湾曲部の経過は、円錐曲線によって式ｙ²＝２Ｒｘ−（ｋ＋１）ｘ²でもって表すことができる。円錐曲線定数ｋは−１であり、曲率半径Ｒは１３２ｍｍである。反射器から放熱管３０３の中心軸までの距離Ｂは７．５ｍｍである。

図４には、本発明による照射器モジュール４００の一つの実施の形態が側面図で示されている。図４から図６において図３と同一の参照番号が使用されている場合には、それをもって、図３に示した本発明によるランプユニットの実施の形態についての記述に基づき上記において詳細に説明したものと同一又は等価の構成部材及び構成要素を表している。

照射器モジュール４００は、放熱管３０３及びその放熱管３０２内に配置されている加熱フィラメント３０４を備えている赤外線照射器３０１、並びに反射器３０２を含んでいる。加熱フィラメント３０４の長さＡは２４０ｍｍである。放熱管３０３は粗面化された表面を有しており、その平均粗さＲａは３．５μｍである。

図５には、赤外線照射器５０１を備えている、本発明による照射器モジュール５００が断面図で示されており、赤外線照射器５０１の放熱管には付加的に二つの反射器ストリップ５０３ａ，５０３ｂが取り付けられている。

赤外線照射器５０１は、石英ガラス製の円筒状の放熱管５０３と、その放熱管５０３内に配置されている加熱フィラメント（図示せず）と、を有している。赤外線照射器の公称電力は（１１５Ｖの公称電圧において）９６Ｗである。赤外線照射器は、２６０ｍｍの放熱管長さ及び１０ｍｍの外径を有していることを特徴とする。放熱管５０３上には、二つの反射器ストリップが、放熱管の長手軸の方向に延在している金コーティングの形態で被着されている。反射器ストリップ５０３ｂの幅は、０°の角度に対応付けられている水平方向の軸５１０を起点にして、−５°から＋２２°の間の角度領域αによって表されている円弧を反射器ストリップ５０３ｂが覆うように設計されている。反射器ストリップ５０３ａは、反射器ストリップ５０３ｂに対して鏡面対称に配置されている。つまり、反射器ストリップ５０３ａは、１５８°から１８５°の間の角度領域を有する円弧を覆っている。二つの反射器ストリップ５０３ａ，５０３ｂによって、赤外線放射の、構造空間の方向における上方への放出、及び、照射器ゾーン内のＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における側方への放出が低減され、それによって、例えば照射器ゾーン内に配置されている照射源のより長い寿命が保証される。

図６には、放熱管の側方に二つの付加的な反射器６０３ａ，６０３ｂが取り付けられている、赤外線照射器６０１を備えた本発明による照射器モジュール６００が断面図で示されている。

赤外線照射器は、石英ガラス製の円筒状の放熱管と、その放熱管内の底部に配置されている加熱フィラメント６０４と、を有している。赤外線照射器の公称電力は（１１５Ｖの公称電圧において）９６Ｗである。赤外線照射器は、２６０ｍｍの放熱管長さ及び１０ｍｍの外径を有していることを特徴とする。側方における二つの反射器６０３ａ，６０３ｂは、フィラメントの中心点を通る水平線を起点にして、その水平線より上の２８°の角度αを覆っており、従って、上方に設けられている反射器６０２によって覆われていない角度領域への上方の放出が最小になるように配置されている。水平線に対する側方の反射器６０３ａ，６０３ｂの角度は５５°であり、放熱管からそれらの側方の反射器６０３ａ，６０３ｂまでの距離は最短の個所で３ｍｍである。放熱管の中心軸から上方に設けられている反射器６０２までの距離は１５ｍｍであり、また上側の反射器６０２の外法寸法は１２０×３９０ｍｍ²である。上方に設けられている反射器の形状は、放物線状の円錐曲線によって表され、１１５ｍｍの曲率半径を有している。

図７には、本発明による照明装置において使用するための、本発明による照射器モジュール７００の一つの別の実施の形態が断面図で示されている。照射器モジュール７００は、赤外線照射器３０１及び反射器７０２を含んでおり、この反射器７０２には二つの反射性の翼部７０３ａ，７０３ｂが接続されている。二つの翼部７０３ａ，７０３ｂは、水平線に対して３０°の角度を成すように配置されている。それらの翼部７０３ａ，７０３ｂは８４ｍｍの幅Ｃを有している。反射器の幅Ｄは８８ｍｍである。翼部７０３ａ，７０３ｂ及び反射器７０２の長さはいずれも３３８ｍｍである。翼部７０３ａ，７０３ｂを配置することによって、赤外線放射の、構造空間の方向における上方への放出、及び、照射器ゾーン内のＵＶ照射源／ＶＩＳ照射源の方向における側方への放出が低減される。

Claims (19)

1. 栽培面Ｅを規定する、植物を栽培するための支持体と、可視光線及び／又は紫外線を前記植物に照射する複数の照射源と、赤外線を前記植物に照射する複数の赤外線照射器と、を有している、植物を照明するための照明装置において、
   前記赤外線照射器の加熱フィラメントは、８００℃から１，８００℃までの温度を生じさせるように設計されており、且つ、５０ｍｍから５００ｍｍまでの範囲の放熱管長さを備えている筒状の放熱管をそれぞれ有しており、
   各放熱管は、前記栽培面Ｅの上方に位置する照射器ゾーンＺ内で相互に平行に延在しており、
   前記栽培面Ｅの面積に関する前記赤外線照射器の面密度が、０．２ｍ^-2から１．０ｍ^-2の間の範囲にあり、
   前記栽培面Ｅにおける平均放射照度が、最大で５０％の変動幅を伴って１０Ｗ／ｍ²から１００Ｗ／ｍ²の間の値を取るように、隣接している赤外線照射器の照明領域が前記栽培面Ｅにおいて重畳しており、
   前記放熱管の上面には、構造空間Ｂに対向している反射器が配置されており、
   前記放熱管の被覆面の側面領域に、長手軸の方向に延びる第１の反射器ストリップが取り付けられている、
   ことを特徴とする、照明装置。
2. 前記栽培面における前記平均放射照度は、１０Ｗ／ｍ²から５０Ｗ／ｍ²までの値を有している、
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記赤外線照射器の加熱フィラメントは、８５０℃から１，５００℃までの温度を生じさせるように設計されている、
   請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 複数の赤外線照射器が、その長手軸の方向において相前後して並んで配置されており、
   隣接する赤外線照射器は、その長手軸の方向において相互に０．９ｍから２．３ｍまでの間の距離を有している、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 相互に平行に配置されており且つ隣接している赤外線照射器は、相互に１ｍから３ｍまでの間の距離を有している、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記赤外線照射器は、前記栽培面まで１．０ｍ±０．５ｍの範囲の距離を有している、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記反射器は、長手軸の方向に見て、７０ｍｍから６５０ｍｍの間の範囲の長さと、５０ｍｍから１６０ｍｍの間の範囲の幅と、を有している、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記反射器は、拡散反射性の表面を有している、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記表面は、ハンマー加工されたアルミニウムから作製されている、
   請求項８に記載の照明装置。
10. 前記反射器ストリップは、金、不透明な石英ガラス又はセラミックから作製されている、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の照明装置。
11. 前記放熱管は、円形の断面を有しており、
    前記第１の反射器ストリップは、フィラメントの中心点を通って延びる水平線に対して、−４０°から＋４０°の間の被覆角度を成す前記放熱管の円弧を覆っている、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の照明装置。
12. 別の反射器ストリップが前記被覆面に取り付けられており、該別の反射器ストリップは、フィラメントの中心点を通って延びる垂直線について、前記第１の反射器ストリップに対して鏡面対称に配置されている、
    請求項１１に記載の照明装置。
13. 前記反射器ストリップは、拡散反射性の表面を有している、
    請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の照明装置。
14. 前記反射器には二つの翼部が接続されており、
    前記翼部は、水平線に対してそれぞれ２０°から４０°の間の範囲の角度を成している、
    請求項１乃至１３のいずれ一項に記載の照明装置。
15. 前記放熱管の表面の少なくとも一部は散光器として機能し、入射した放射を拡散性に散乱させる、
    請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の照明装置。
16. 前記放熱管は、散光器として機能し、且つ、平均粗さＲａを有する粗面化された表面を備えており、前記平均粗さＲａは、０．３μｍから１０μｍの間の範囲にある、
    請求項１４に記載の照明装置。
17. 前記照明装置は、側壁を備えているハウジングを含み、
    前記側壁のうちの少なくとも一つの側壁には反射シートが取り付けられている、
    請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の照明装置。
18. 前記変動幅は、前記平均放射照度の最大で２０％である、
    請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の照明装置。
19. 赤外線照射器を有している、請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の照明装置において使用するための、赤外線を植物に照射する照射器モジュールにおいて、
    前記赤外線照射器は、筒状の放熱管を有しており、
    前記放熱管は、放熱管長手軸と、５０ｍｍから５００ｍｍまでの放熱管長さと、を備えており、前記放熱管の内部には、８００℃から１，８００℃までの温度を生じさせるように設計されている加熱フィラメントが配置されており、前記放熱管の側面には反射器が配置されている、ことを特徴とする、照射器モジュール。

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