CN110307488A - Led照明装置及植物栽培架 - Google Patents

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CN110307488A CN201910211492.1A CN201910211492A CN110307488A CN 110307488 A CN110307488 A CN 110307488A CN 201910211492 A CN201910211492 A CN 201910211492A CN 110307488 A CN110307488 A CN 110307488A
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Abstract

LED照明装置10包括：基板15，其形成为细长形状；第一反射器11，其在基板15的表面上形成为单轨形状；多个LED元件16(16a和16b)，其在基板15的表面上在第一反射器11的两侧上的位置处成排设置；一对轨道状第二反射器12(12a和12b)，其以这种方式形成在基板15的表面上使得LED元件16(16a和16b)和第一反射器11插设在一对第二反射器12a和12b之间。

Description

LED照明装置及植物栽培架
技术领域
本发明涉及一种装备有LED(发光二极管)作为光源的照明装置以及一种植物栽培架。
背景技术
作为栽培农产品的方法，注意力集中在用于在封闭空间中栽培植物的植物工厂中，在该封闭空间中控制诸如光、温度和二氧化碳浓度的内部环境。
根据这样的植物工厂，有如下许多优点：(i)植物可以在狭窄土地上大规模生产而不受天气的影响；(ii)它可以在例如无农药、新鲜度和清洁度方面稳定地供应高附加值植物；(iii)符合食品安全、保障和健康意识。
作为用于栽培植物的照明装置，已知一种使用高压钠灯、金属卤化物灯或荧光灯作为光源的装置。近年来，从节能和环境措施的观点来看，已经采用LED(发光二极管)代替这些传统光源作为光源。
由于LED的功耗约为传统光源的1/2至1/4，因此LED的寿命比传统光源的寿命长得多，因此LED有助于种植操作的成本降低。
另外，由于LED比传统光源发出的热量少，所以即使当LED用于近距离照明时，也可以避免植物叶片焦化(即叶片烧伤)。因此，LED能够进行多级培养，这也有助于提高每单位面积的产量。
然而，LED照明具有很强的指向性。在这方面，需要指出的是，在照明区域中LED的光轴彼此交叉的中心部分处的照度大于边缘部分上的照度，并且其照度分布因此变得不均匀。当照度分布中存在这种不均匀性时，植物生长的不均匀性变得更大。为了使照度分布均匀，存在通过例如在乳白色中浑浊或通过使用精细透镜进行表面处理的漫射板来执行LED照明的已知技术(例如，日本未审查专利申请公开No.2017-131189)。
然而，在上述已知技术中，存在的问题是，当LED光通过漫射板时，由于LED光的衰减引起的照度损失导致功率效率降低。另外，需要准备具有与LED光的照明区域对应的面积的漫射板，这提高了操作成本而作为另一个问题。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种LED照明装置和植物栽培架，LED照明装置和植物栽培架中的每个可以通过避免LED光的照度损失来抑制操作成本并且可以均衡照明区域中的照明分布。
根据本发明的LED照明装置包括：基板，其形成为细长形状；第一反射器，其在基板的表面上形成为单轨形状；多个LED元件，其在基板的表面上的第一反射器两侧的位置处成排设置；以及一对轨道状第二反射器，其以这种方式形成在基板的表面上使得多个LED元件和第一反射器插设在一对第二反射器之间。
根据本发明的植物栽培架包括：根据本发明的上述LED照明装置；搁板，其上放置植物；以及支撑构件，其构造为在LED照明装置和搁板彼此面对的相应位置处支撑LED照明装置和搁板。
根据本发明，可以提供一种LED照明装置和植物栽培架，LED照明装置和植物栽培架中的每个可以通过避免LED光的照度损失来抑制操作成本并且可以均衡照明区域中的照度分布。
附图说明
在附图中：
图1A是根据本发明的一个实施例的LED照明装置的透视图；
图1B是图1A所示的LED照明装置的横截面图；
图1C是图1A所示的LED照明装置的变形例的LED照明装置的横截面图；
图2A是根据本发明的另一实施例的LED照明装置的透视图；
图2B是图2A所示的LED照明装置的横截面图；
图2C是图2A所示的LED照明装置的变形例的LED照明装置的剖横截面；
图3是示出了LED光源的指向性特征的示意图；
图4是示出了LED光源的照度分布的曲线图；
图5是根据本发明的一个实施例的植物栽培架的透视图；
图6A是根据第一示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第一示例的每个部件的设计尺寸；
图6B是第一示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)；
图7A是根据第二示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第二示例的每个部件的设计尺寸；
图7B是第二示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)；
图8A是根据第三示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第三示例的每个部件的设计尺寸；
图8B是第三示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)；
图9A是根据第四示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第四示例的每个部件的设计尺寸；
图9B是第四示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)；
图10A是第四示例的LED照明装置的照度图；
图10B是第四示例的LED照明装置的光分布图像；
图11A是第一比较示例中的仅LED元件的布局图；
图11B是第一比较示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)；
图12A是第一比较示例的LED照明装置的照度图；
图12B是第一比较示例的LED照明装置的光分布图像；
图13A是第五示例的LED照明装置的照度图；
图13B是第五示例的LED照明装置的光分布图像；
图14A是第二比较示例的LED照明装置的照度图；以及
图14B是第二比较示例的LED照明装置的光分布图像。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。
图1A是根据本发明的一个实施例的LED照明装置10A(10)的透视图，图1B是LED照明装置10A的横截面图，并且图1C是根据LED照明装置10A的变型例的LED照明装置的横截面图。
图2A是根据本发明另一实施例的LED照明装置10B(10)的透视图，图2B是示出为10B的LED照明装置的横截面图，图2C是根据LED照明装置10B的变型例的LED照明装置的横截面图。在以下描述中，根据实施例的LED照明装置10A和10B中的每个统称为LED照明装置10。
如图1A和图2A所示，LED照明装置10包括：基板15，其形成为细长形状；第一反射器11，其在基板15的表面上形成为单轨形状；多个LED元件16a和16b(统称为16)，其在基板15的表面上在第一反射器11的两侧上的位置处成排设置；一对轨道状第二反射器12a和12b(统称为12)，其形成在基板15的表面上使得LED元件16a插设在第一反射器11和第二反射器12a之间并且LED元件16b插设在第一反射器11和第二反射器12b之间。
如图1B所示，一对第一反射表面17a和17b(统称为17)形成在LED照明装置10A的第一反射器11的相应两个侧表面上使得第一反射表面17a和17b中的每个的法线N1包括沿与LED元件16a和16b的光学轴线方向Z相同方向的分量。
如图2B所示，一对第一反射表面17a和17b形成在LED照明装置10B的第一反射器11的相应两个侧表面上使得每个第一反射表面17a和17b中的每个的法线N1包括沿在与LED元件16a和16b的光学轴线方向Z相反方向的分量。
形成在第一反射器11的两个侧表面上的相应反射表面的倾斜度不限于特定的倾斜度，并且每个反射表面的形状不限于特定的形状。每个反射表面除了可以形成为如图1B和图2B所示的平坦表面以外，每个反射表面可以形成为如图1C和图2C所示的弯曲表面。
LED元件16(16a和16b)发射处于植物叶绿素中光合作用所需的波长区域中的光。根据待栽培的植物，选择配置成发射最佳波长的LED元件16。LED元件的这种选择包括如下至少两种情况：(i)作为一种情况，仅将其中混合光三原色的白色LED元件16设置在基板15的表面上；(ii)作为另一种情况，将构成为发出红色、绿色或蓝色的单色原色的三种LED元件16组合并设置在基板15的表面上。
以这种方式选择LED元件16的发光度(即光强度)使得仅由处于可由叶绿素吸收的400nm至700nm的波长区域中的光子通量密度限定的光合光子通量密度(PPFD)变为照度区域中的最佳直。
基板15是由细长平板制成的电子电路板，并且多个LED元件16安装在基板15的前表面侧上。在基板15上，用于向LED元件16供应预定电流的未示出电子电路设置在该电子电路不与LED元件16干涉的位置处。设置在基板15上的电子电路由多个电子部件和用于连接该多个电子部件的布线组成。经由这些电子元件和布线向基板15供应电力，并且向安装在基板上的LED元件16供应该电力以发射光。
例如，通过将基板15容纳在透明圆柱体中并使包括该透明圆柱体的长度的盖子形状和尺寸与传统直管荧光灯对准，LED照明装置10可以形成为在结构上与传统直管荧光灯兼容，其中，LED元件16安装在基板15上并且第一反射表面17和第二反射表面18形成在基板15的反射器上。此外，基板15不限于具有平坦表面的基板，而是可以采用具有弯曲表面的基板。
在实施例中，设置在第一反射器11两侧上的一组LED元件16(16a和16b)被视为单位光源，并且第一反射器11的夹在该一组LED元件16(16a和16b)之间的中心轴线(即，Z轴线)被视为该单元光源的光学轴线。由于第一反射器11设置在夹在该一组LED元件16(16a和16b)之间的位置处，因此LED元件16的光发射不可能围绕光学轴线(即，Z轴线)集中。结果，在正交于光学轴线(即，Z轴线)的照射平面的中心处的点状高照度围绕周边漫射。
特别地，在图2B所示的LED照明装置10B中，第一反射表面17(17a和17b)中的每一个的法线N1包括沿与LED元件16的光学轴线方向Z相反方向的分量。在这种结构中，LED元件16(16a和16b)的分布至正交于光学轴线(即Z轴线)的照射平面的中心侧的光发射被第一反射表面17(17a)反射并且然后分布到该照明平面的中心的外侧。结果，在正交于光学轴线(即，Z轴线)的照射平面的中心侧上的点状高照度更有效地围绕该照射平面的周边漫射。
对第一反射表面17进行已知的表面处理，例如镜面精加工和涂覆，使得LED元件16的光发射被高效地反射。因此，第一反射表面17在反射率方面是免维护的并且可以在不进行维护的情况下将反射率值保持接近100％。
相应第二反射器12a和12b设置在第一反射器11的两侧使得LED元件16a插设在第一反射器11和第二反射器12a之间，并且LED元件16b插设在第一反射器11和第二反射器12b之间。第二反射表面18(18a和18b)中的每个的法线N2包括沿与LED元件16的光学轴线方向Z相同方向的分量。在这种结构中，LED元件16(16a和16b)的分布至远离正交于光学轴线(即Z轴线)的照射平面的中心的周边部分的光发射被第二反射表面18(18a和18b)反射，并且然后分布到照明平面的周边部分的内部。结果，使在正交于光学轴线的照射平面的中心侧上的点状高照度相对缓和。
对第二反射表面18进行已知的表面处理，例如镜面精加工和涂覆，使得LED元件16的光发射被高效地反射。因此，第二反射表面18在反射率(即反射功率)方面是免维护的并且可以在不进行维护的情况下将反射率值保持接近100％。每个第二反射表面18的倾斜角度相对于光学轴线方向Z处于30°至65°的范围内。当每个第二反射表面18的倾斜角度小于30°或超过65°时，光线从照明平面的周边部分向其内部漫射的光分布很小，并且不会有助于消除点状高照度。
如图1C和图2C所示，在包括LED元件16的光学轴线的横截面图中，相应第二反射器12的第二反射表面18在某些情况下可以形成为弯曲表面，类似于第一反射器11的第一反射表面17。
图3是示出LED光源的指向性特征的示意图。当LED元件16构造为平面光源并且光学轴线方向Z上的亮度(即，光强度)被定义为I0时，在相对于光学轴线方向Z呈入射角度θ的方向上的亮度Iθ的指向性特征根据朗伯余弦定律由以下方程(1)表示。
Iθ＝I0·cosθ...方程(1)
假设中心点0是光学轴线Z和与LED元件16分开距离d的照明平面19之间的交叉点，并且中心点0处的照度表示为E0。如图3所示，交叉点P被定义为照明平面19与始自LED元件16并自光学轴线Z倾斜角度θ的直线相交的点。交叉点P的照度Eθ根据余弦-四次幂定律由下列方程(2)表示。
Eθ＝E0·cos4θ...方程(2)
图4是示出LED光源的照度分布的图。在图4中，图的横轴表示相对于光学轴线方向Z的入射角度θ，并且纵轴表示照射平面19上对于每个入射角度θ的照度Eθ。另外，虚线表示不存在第一反射器11和第二反射器12并且是基于上述方程(2)的结果的比较示例。实线表示本实施例的示例。
根据该示例，在正交于光学轴线方向Z的照射平面19上的中心点0处的照度E0通过第一反射器11的作用而在角度范围W'漫射，其中照度等于或大于中心点0处的照度的一半。结果，中心点0处的点状高照度被缓和，并且照明区域中的照度分布可以变得均匀。此外，具有与光学轴线方向Z接近90°的入射角度θ的光在第二反射器12的作用下朝内部分布。因此，具有光难以到达照明平面19的入射角度θ的光发射围绕中心点0分布至低照度区域，从而使照度分布均匀。
因此，该示例的角度范围W比比较示例的角度范围W'宽。因此，不需要为了确保在照明平面19的整个表面上的预定照度而以窄间隔设置LED元件16。因此，可以通过减少待使用的LED元件16的数量来降低成本。要使用的。此外，由于可以扩展角度范围W而不采用乳白色浑浊的诸如漫射板之类的扩展装置，因此LED元件16可以安装在靠近照明平面19的位置处。结果，通过减少LED元件16的光发射量而降低了功耗，并且可以抑制运行成本。
图5是根据本发明的一个实施例的植物栽培架20的透视图。植物栽培架20包括LED照明装置10；其上放置有植物的搁板23；以及在LED照明装置10和搁板23彼此面对的位置处支撑LED照明装置10和搁板23的支撑构件22。
沿水平方向安装的其间设置有空间的多个搁板23(在图5的情况下为三级)由设置在相应四个角上的四个支撑支柱(即，支撑构件22)支撑。未示出的植物通过栽培容器24放置在相应搁板23的顶部表面上。
除了最下面的搁板23之外，在每个搁板23的后表面上设置多个LED照明装置10，使得放置在除顶部搁板23之外的每个搁板23的顶部表面上的植物由LED照明装置10从上方照射。
尽管示出了线性照明装置10，但是LED照明装置10不限于这种形状，也可以使用平面LED照明装置。尽管未示出，但是在一些情况下可以提供用于向栽培容器24供水的供水装置。另外，未示出的脚轮固定到每个支撑构件22的底部部分以与地板表面接触，使得整个植物栽培架20可以容易地移动。
根据该实施例的植物栽培架20可以通过使用LED照明装置10以均匀的照度分布照射设置在栽培容器24中的多个植物。这种构造使得可以均衡多个植物的生长。由于植物栽培架20可以在不使用衰减LED光的漫射板的情况下均衡照度分布，因此植物栽培架20可以通过避免LED光的照度损失来抑制操作成本。
[示例]
在下文中，将通过参考比较示例和示例更详细地描述本发明的实施例。
图6A是根据第一示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第一示例的每个部件的设计尺寸，且图6B是第一示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)。
图11A是仅第一比较示例中的LED元件的布局图，且图11B是第一比较示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)。
在第一示例中，指示最大亮度的入射角度从第一比较示例(图11B)中的0°扩展到±30°(图6B)。该结果表明，照明平面中心侧的点状高照度漫射到照明表面的周边。此外，在第一示例中，光分布角度(即，表示最大亮度值的半值的正侧入射角度和负侧入射角度之间的范围)从第一比较示例(图11B)中的±58°变窄至±51°(图6B)。从该结果可以确认，照射平面的周边部分处的光分布被分布到内部。因此，可以理解，反射器11和12有助于照明区域中的照度分布的均衡。
图7A是根据第二示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第二示例的每个部件的设计尺寸。图7B是第二示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)。
在第二示例中，反射器11和12被调整为高于第一示例。从图7B清楚可见，第二示例使得能够实现进一步减小到±44°的更窄光分布角度并且能够实现其中照明区域变窄且照度增加的均匀照度分布。
图8A是根据第三示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第三示例的每个部件的设计尺寸。图8B是第三示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)。
在第三示例中，反射器11和左右反射器12对称地形成使得反射器11右侧的反射表面的横截面和右反射器12的反射表面的横截面是位于共同的抛物线上，并且在横截面视图中对于左侧也是如此。反射器11和左右反射器12也形成为使得每个抛物线的对称轴线向内倾斜。因此，第三示例使得能够实现够进一步减小到±38°的更窄光分布角度能并且能够实现其中照明区域进一步变窄的均匀照度分布。
图9A是根据第四示例的LED元件、第一反射器和第二反射器的横截面图用于示出第四示例的每个部件的设计尺寸。图9B是第四示例的LED照明装置的光分布图(对于每个角度)。
图10A是第四示例的LED照明装置的照度图，且图10B是第四示例的LED照明装置的光分布图像。
图12A是第一比较示例的LED照明装置的照度图，且图12B是第一比较示例的LED照明装置的光分布图像。
在第四示例中，第一反射器11的高度被调整为高于左右第二反射器12中的每一个的高度。在第四示例中，第一反射器11与左右第二反射器12对称地形成，使得第一反射器11的右侧上的反射表面的横截面和右第二反射器12的反射表面的横截面位于共同的抛物线上，并且在横截面视图中对于左侧也是如此。反射器11和左右反射器12也形成为使得每个抛物线的对称轴线向外倾斜。
从第四示例(图10A和图10B)与第一比较示例(图12A和图12B)之间的比较可以清楚地看出，可以在第四示例中获得具有极均匀(即，平坦)照明分布的照明区域。
图13A是第五示例的LED照明装置的照度图，且图13B是第五示例的LED照明装置的光分布图像。
图14A是第二比较示例的LED照明装置的照度图，且图14B是第二比较示例的LED照明装置的光分布图像。
在第五示例中，第一示例的两对LED照明装置以354mm的间隔平行设置。在第二比较示例中，第一比较示例的两对LED照明装置以354mm的间隔平行设置。虽然通过如第一比较示例的多个LED照明装置如图14A和图14B所示地平行设置不能获得均匀的照度分布，但是在第五示例中可以通过将第一示例的多个LED照明装置如图13A和图13B所示平行设置而广泛地获得均匀(平坦)照度分布。

Claims (6)

1.一种LED照明装置，包括：
基板，其形成为细长形状；
第一反射器，其在所述基板的表面上形成为单轨形状；
多个LED元件，其在所述基板的所述表面上在所述第一反射器的两侧上的位置处成排设置；以及
一对轨道状第二反射器，其以这种方式形成在所述基板的所述表面上使得所述多个LED元件和所述第一反射器插设在所述一对轨道状第二反射器之间。
2.根据权利要求1所述的LED照明装置，
其中，第一反射表面以这种方式形成在所述第一反射器的两个侧表面中的每一个上使得所述第一反射表面的法线包括沿与所述多个LED元件的光学轴线方向相同方向的分量。
3.根据权利要求1所述的LED照明装置，
其中，第一反射表面以这种方式形成在所述第一反射器的两个侧表面中的每一个上使得所述第一反射表面的法线包括沿与所述多个LED元件的光学轴线方向相反方向的分量。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的LED照明装置，
其中，第二反射表面以这种方式形成在所述一对轨道状第二反射器中的每一个的内侧表面上使得所述第二反射表面的法线包括沿与所述多个LED元件的光学轴线方向相同方向的分量。
5.根据权利要求4所述的LED照明装置，
其中，所述第一反射表面和所述第二反射表面以这样的方式形成为使得所述第一反射表面的横截面和所述第二反射表面的横截面在横截面图中位于共同的抛物线上。
6.一种植物栽培架，包括：
LED照明装置，其是根据权利要求1至5中任一项所述的LED照明装置；
搁板，其上放置植物；以及
支撑构件，其构造为在所述LED照明装置和所述搁板彼此面对的相应位置处支撑所述LED照明装置和所述搁板。
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