CN102597619A - 大型led照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大型LED照明装置。该LED照明装置包括：在表面安装有LED发光元件(13)的LED安装基体(11)；固定在该LED安装基体(11)的里面侧的散热部(20)，其特征在于，该散热部(20)具备：具有密闭空间(电子电路收纳部(22))的芯部(23)，该电子电路收纳部(22)的一端侧被所述LED安装基体(11)密封且在内部封入有硅油等冷却液；设置在该芯部(23)的周围的散热片(21)。由此，能够提供形状与大型的水银灯照明装置大致相等且尽量减少重量增加，能够效率良好地使来自LED发光元件的发热散出的LED照明装置。需要说明的是，可以在电子电路收纳部(22)内收纳用于生成向LED发光元件(13)供给的电力的电路。另外，优选冷却液未完全充满电子电路收纳部(22)内，而空出用于对冷却液的膨胀进行吸收的微小空间。

Description

大型LED照明装置
技术领域
本发明涉及用于取代能量效率低的白炽灯泡或水银灯的近年来急速普及的LED灯泡。
背景技术
能量效率差的现有型照明装置中，针对白炽灯泡或卤素灯泡而言制造并贩卖有能够将其替代的各种LED灯泡，但对于在工厂、大型店铺、仓库、体育馆等中较多使用的以从顶棚吊挂或者埋入顶棚或墙壁的方式使用的大功率大光量的水银灯而言，由于难以将从LED产生的大量热量散出，因此还未开发出能够全面将其替代的LED照明装置，在与通常的水银灯照明器具为同等形状的情况下，仅出厂了200W以下的产品。
另外，对于水银灯而言，其自身的效率不太高而为50流明/瓦(1umen/watt)，而且达到点亮后实用照度为止需要几分钟，进而在熄灭后直至再点亮前需要等待相当长的时间等，因此无法频繁进行ON/OFF而难以节能，因此，市场上期望提供取代水银灯的节能性高的大型LED照明装置。
专利文献1中记载有在LED灯上安装有散热器的LED照明装置。在该LED照明装置中，利用风扇对散热器进行空气冷却。
【在先技术文献】
【专利文献】
专利文献1：日本特开2005-158746号公报
目前，由于容易获得的LED发光元件的效率大致为80流明/瓦，因此为了使LED照明装置的照度达到与既有的400W水银灯的平均照度即2万流明相当的水平，计算上需要向LED输入大致250W的功率。实际上，水银灯向周围360度放射光，相对于此，LED发光元件的放射被限制在半球内，相应地其照明效率高，实际所需的功率可以为200W以下。
然而，若向LED输入200W的功率，则其中大致70％转变为热量，因此要产生140W的热量。LED发光元件通常被认为寿命长，但是其耐热性差，虽会因制法或原材料等的不同而有所不同，但若点亮时的LED发光元件的温度保持在100℃左右则能够期望4万小时以上的寿命，但是其温度每上升10度时寿命变为大致1/2。因此，使所述那样的相当于140W的加热器的发热有效地散出以降低LED发光元件的温度的做法会左右该LED照明的寿命。
若发热从较大的面积产生，则其冷却并不困难，但对取代水银灯的LED照明装置来说则需要使发光体的大小也大致与水银灯相等，从而要从直径大约为10cm左右的面积产生140W的热量。
在将该热量通过直径同样为10cm、热阻为236W/m·K的铝向散热机构引导时，若铝的长度为10cm，则在两端产生7.5度的温度差。然而，若实际上将直径为10cm的纯铝用作热导体且使其长度为10cm，则热导体的重量为2kg以上，从重量和成本方面考虑不现实。在此，若直径为5cm，则重量为0.5kg左右，虽然在重量·成本方面可行，但是两端的温度差达到30度，从而LED发光元件的寿命缩短至1/8。
另外，在像专利文献1那样通过风扇进行空气冷却的情况下，由于另外需要用于风扇的电力，因此除了能量效率降低之外，还需要用于风扇和其电动机的设备、空间，从而造成照明装置的大型化。另外，因吸引灰尘、蜘蛛网等异物引起的散热能力的降低或风扇电动机的故障等有关耐久性的不稳定因素增加。
发明内容
本发明要解决的课题在于提供如下的LED照明装置，该LED照明装置能够取代社会上较多使用的大型的水银灯照明装置，并且形状与大型的水银灯照明装置大致相等，而且在尽可能减小重量增加的同时能够效率良好地将来自LED发光元件的发热散出。
为了解决上述课题，本发明涉及的LED照明装置包括在表面安装有LED发光元件的LED安装基体和散热部，其特征在于，
所述散热部具备：
a)冷却液封入部，其固定在所述LED安装基体的里面侧且具有在内部封入有冷却液的密闭空间；
b)散热片，其设置在该冷却液封入部的周围。
【发明效果】
本发明将从LED发光元件产生的热量经由LED安装基体及与其里面侧接触的冷却液向散热片传导，从而能够高效地使热量发散。在此，通过形成为在冷却液封入部内引起冷却液的对流这样的状态，从而能够效率良好地使LED发光元件的热量向散热片传递。
另外，由于能够在冷却液封入部的内部(浸渍于冷却液中的状态下)收纳本LED照明装置的电源电路或控制电路等用于驱动LED发光元件的电路，因此本发明的LED照明装置的空间效率良好。当然，由于该电路自身浸渍于冷却液中，因此能够将从电路整体发出的热量效率良好地放出。因此，不需要一般的电源电路或电子电路所需的散热体或与其连接的结构体，从而能够使电路的尺寸最小化，此外还能够保证本LED照明装置的稳定动作。需要说明的是，用于驱动LED发光元件的电路可以全部收纳于冷却液封入部内，也可以部分收容于冷却液封入部内。
需要说明的是，优选在冷却液封入部中不完全充满冷却液，而残留少量的空间。由此，当冷却液的温度上升时，能够缓和因其膨胀造成的冷却液封入部内的压力上升。关于这一点，优选使冷却液封入部内的未充满冷却液的空间的气压在常温下成为负压(尽量接近真空)。
为了使从LED安装基体向冷却液的热传递良好，优选在LED安装基体的里面侧设置凹凸来增大两者的接触面积。凹凸可以为同心的环状或多个立设销状等任意形状。另外，为了进一步使两者的热传递良好，可以不包括这些凹凸而另外设置从LED安装基体的里面突出的热管，或者在这些凹凸的基础上设置从LED安装基体的里面突出的热管。
考虑到上述的散热机构未充分发挥作用的情况(例如，上述LED照明装置配置成在重力方向上LED安装基体成为上部而冷却液成为下部时，上述那样的通过冷却液内的对流而实现的热传递效果被减弱)，在本发明涉及的LED照明装置中，可以设置用于检测LED发光元件的温度上升的传感器，根据检测到的LED发光元件的温度来限制向LED发光元件供给的电力。该电力的限制可以通过调节向LED发光元件供给的电流来进行，也可以通过使LED发光元件点亮熄灭来进行。需要说明的是，该传感器可以设置在LED发光元件自身上，也可以设置在LED安装基体或其附近。
附图说明
图1是本发明的实施例的吊挂型LED照明装置的纵向剖视图(A)及该图X-X’线处的横向剖视图(B)。
图2是表示散热兼电装部的另一例的横向剖视图。
图3是表示散热兼电装部的又一例的横向剖视图。
图4是该实施例的发光部的纵向剖视图。
图5是表示LED安装基板的突起部的一例的立体图。
图6是表示LED安装基板的突起部的另一例的立体图。
图7是表示LED安装基板的突起部的又一例的立体图。
图8是本发明的另一实施例的埋入型LED照明装置的纵向剖视图。
图9是本发明的又一实施例的街道灯型LED照明装置的纵向剖视图(A)、俯视图(B)、主视图(C)及侧视图(D)。
图10是表示上述吊挂型LED照明装置的另一结构例的纵向剖视图。
具体实施方式
使用附图说明本发明的实施例。
图1表示本发明的代表实施例的吊挂型LED照明装置，图1(A)是该照明装置的纵向剖视图(图1(B)的Y-Y’线剖视图)，图1(B)是图1(A)的X-X’线剖视图。
在本LED照明装置的中心部具有发光部10，如图4所示，发光部10包括：例如由铝、铜等导热性高的原材料构成的LED安装基体11；热固定在该LED安装基体11上的LED安装基板12；安装在该LED安装基板12上的多个LED发光元件13。并且，为了保护LED发光元件13以免受雨水、灰尘或虫子等的影响，如图1(A)所示，以包围LED安装基板12的方式向LED安装基体11上附加由透明或半透明的树脂或玻璃构成的遮蔽件14为好。需要说明的是，从LED安装基体11观察时，将LED发光元件13侧以后称为“前方”，将其相反方向称为“后方”。
在LED安装基体11的外周侧安装有向前方打开的圆锥台状的反射镜19，从而将发光部10所发出的光向需要的方向反射。通过将该反射镜19的原材料选为铝那样的导热性高的原材料，从而该反射镜19可兼用作使LED发光元件13的热量向前方散出的散热机构而发挥作用。
在发光部10的后方(图1(A)中为上部)具有由铝的压出件等构成的散热兼电装部20。如图1(B)所示，该散热兼电装部20包括：位于中心部的薄壁圆筒状的芯部(冷却液封入部)23；在芯部23周围呈放射状地设有多个，用于扩大表面积而通过辐射、与空气的传热及空气的对流来效率良好地进行散热的散热片21。芯部23的内部的空间成为电子电路收纳部22，该电子电路收纳部22收纳将商用电源的交流电转换为用于点亮LED发光元件13的直流电的电子电路。该电子电路收纳部22的下端被前述的LED安装基体11密封，上端被上部密封体30封闭，从而成为密闭的空间。在该空间内封入有硅油那样绝缘性能高且化学上稳定的不可燃的冷却液。
作为该冷却液，可以使用沸点从50℃到80℃左右的低沸点液。由此，能够反复进行吸收LED发光元件13的热量而气化、向散热片21传递该热量而液化这样的热传递循环，从而能够更高效地使LED发光元件13的热量散出。
在本实施例中，上部密封体30包括：在周围带有O形环那样的密封件31且由树脂等形成的密封体32；保持该密封体32且用于将上部密封体30安装在散热兼电装部20上的金属构件33。在该金属构件33上焊接或螺纹固定有金属件34，利用螺钉及螺母将吊挂零件35经由金属件34固定到该金属构件33上，通过该吊挂零件35使本LED照明装置从建筑物的顶棚等吊挂下来。
当在电子电路收纳部22中封入冷却液时，若空间完全被冷却液占满，则会因构成空间的金属等与冷却液的热膨胀率的差异而产生大的压力，从而容易产生其中的冷却液漏出等不良状况，因此设置微小的空间部为好。在本实施例中，图1(A)中设置于密封体32的下表面上的凹部36提供了该空间部。若该空间部也被常压的空气占满，则会因该空气的热膨胀而产生压力的变化，因此该空间部在常温(5～35℃)下成为负压(从常压下进行减压)或成为大致真空为好。
作为设置这种减压空间的方法，除了上述那样的设置凹部36的方法之外，还存在如下的方法。在将封入有少量空气等的由柔软的塑料片构成的密闭袋放入上述电子电路收纳部22的状态下，向电子电路收纳部22内注满冷却液。然后，当从电子电路收纳部22吸出少量的冷却液时，密闭袋膨胀而内部成为减压状态。由此，即使冷却液因温度上升而膨胀，该密闭袋也能够吸收该膨胀。
接下来，如图4～图7所示，在LED安装基体11的后方面(与冷却液接触的一侧)设置有低台状的突起部15，该突起部15具有比电子电路收纳部22的内径稍小的外径，在该突起部15的周围设置有基于O形环等的密封件15a。该密封件15a将LED安装基体11的突起部15与电子电路收纳部22的内壁之间密闭，由此将电子电路收纳部22的下端密封。
为了扩大接触面积，在该LED安装基体11的突起部15与冷却液相接触的部分设置图5所示的环状的翅片(fin)16或图6所示的销状的突起物17，从而将LED发光元件13所产生的热量经由LED安装基体11效率良好地向冷却液传递。
其结果是，LED发光元件13的发热经由LED安装基体11高效地向位于其上方的冷却液传递。该冷却液因下侧受热而在内部产生对流，由此将热量迅速向上方输送，从而经由位于周围及上部的大面积的散热片21向大气散出。如前述那样，该冷却液使用沸点从50℃到80℃左右的低沸点液，由此在上述基础上再加上该液体的气化-液化循环所进行的传热，从而能够更高效地进行散热。
此时，如图2所示，虽然可以增大散热兼电装部20的芯部23的壁厚，从LED安装基体11直接向散热兼电装部20传递热量，利用该厚壁的芯部23向上方及周围的散热片21传热，但是，与通过冷却液的对流进行的传热相比，固体传热的热阻大，容易在上部与下部产生温度差。
虽然能够通过进一步增大芯部23的壁厚(尤其是朝向外侧)来减小温度差，但是这样做除了导致重量增加且成本上升之外，由于芯部23的外径变大，若要将每单位长度的散热片21的表面积维持为原状，则会造成散热兼电装部20的进一步大型化。
另外，通过如图3所示那样使芯部23为实心结构，虽然能够在避免大型化的情况下提高冷却能力，但是重量和成本会增加，另外，还需要将电子电路安装到外部，进而造成重量·大小·成本都增加。
需要说明的是，在图1中示出了如下结构，即，散热兼电装部20的芯部23具有开口部，该开口部由LED安装基体11密封，由此在芯部23的内部形成密闭空间，但是并不局限于此，例如，可以使收容有冷却液的芯部23预先成为密闭状态，在该芯部23的外壁面上固定LED安装基体11。这种情况下，上述的环状的翅片16或销状的突起物17那样的用于使与冷却液接触的接触面积增大的凹凸设置在芯部23的固定有安装基体11的面的里侧(即，芯部23的内壁面)。
上述的说明是针对该照明装置如图1(A)所示那样配置的情况而进行的，但是，若将该照明装置上下翻转设置，则在冷却液未完全充满电子电路收纳部22的情况下，突起部15与冷却液的接触面积减小，此外，即使在完全充满的情况下冷却液的上部也会被加热，因此在冷却液中不产生对流，从而热传递能力显著下降。
解决该问题点的第一方法是，利用传感器检测因设置方向的不同而产生的温度上升，该传感器设置在LED发光元件13的附近、LED安装基体11上、或者电子电路收纳部22内设置的电子电路的接近LED发光元件侧的部位，从而减小流过LED发光元件13的电流。由此，能够将LED发光元件13的温度抑制在规定值以内。
第二方法是，取代使流过LED发光元件13的电流减小的方式，而通过使LED发光元件13在短周期内点亮熄灭来降低实际的功率。当使用该方法时，通过发光元件的点亮熄灭还能够告知使用者发生温度的异常上升。需要说明的是，也可以根据温度的高低来改变点亮熄灭的间隔(节奏)。
第三方法是，如图7所示，使用1根或多根热管18来进行LED安装基体11与冷却液的传热。通过使该热管18的长度足够长，由此即使LED照明装置的安装方向改变而导致冷却液的对流所实现的传热效果减弱，也能够获得补偿这种减弱的程度的传热效果，其结果是，因热管18与散热片21所实现的冷却存在温度差而产生对流，从而能够获得充分的冷却效果。
以上的说明是以吊挂型的LED照明装置为例而进行的，但也可以通过图8所示那样改变反射镜19的形状或变更金属件种类，从而能够用于以埋入顶棚的方式使用的下照灯(downlight)等多种形态的LED照明装置。
此外，即使对街道灯那样要求设计性且设计上LED安装部与散热部无法接近配置的照明器具而言，通过使用液体来进行传热，也能够有效地传热而实现散热。这种例子如图9所示。在该街道灯型LED照明装置中，如图9(A)所示，在朝向下方放射光的发光部40的后方(图中为上部)固定有冷却液封入部52，在该冷却液封入部52的上部设置有散热片51。需要说明的是，在该例子，电子电路(电子电路安装部53)并非设置在冷却液封入部52的内部，而是设置在其外部。图9(B)～(D)为本实施例的俯视图、主视图、侧视图，图9(A)中的符号44表示透明遮蔽件，54表示下部罩。
需要说明的是，如上述提及的那样，本发明的LED照明装置可以构成通过冷却液的气化-液化循环来进行传热的结构。这种情况下的结构例如图10所示。需要说明的是，对与图1相同或对应的结构标注同一符号而适当省略说明。
在图10所示的LED照明装置中，在芯部(冷却液封入部)23的内部空间25中封入有少量(常温下为内部空间25的容积的一半以下的体积)的冷却液24。另外，所述内部空间25被维持成适当的真空度，以使冷却液24的沸点成为比在常温下点亮LED发光元件13时的LED安装基体11所达到的温度的上限值低的温度(小于100℃，优选为50℃～80℃左右)。
在这种结构中，因LED发光元件13的点亮产生的热量经由LED安装基体11而向冷却液24传递。并且，冷却液24因该热量而沸腾，该冷却液24的蒸气向内部空间25的上方移动(图中的白色箭头)。在该过程中该蒸气的热量向散热片21传递，其结果是，冷却液24发生液化而返回到内部空间25的下部(图中的黑色箭头)。即，该结构例能够使芯部23整体作为热管而发挥作用，通过反复进行上述那样的导热循环，从而能够进一步效率良好地使LED发光元件13的热量散出。
在该结构例中，也可以在芯部23的内部空间25中收容用于驱动LED发光元件13的电路的一部分或全部。需要说明的是，对所述冷却液24的种类没有特殊限制，但考虑到在内部空间25中收容电路的情况，优选使用绝缘电阻高且不可燃的液体。作为这种液体，例如适合使用作为氟系非活性液体的fluorinert(住友3M株式会社制)等。
需要说明的是，在上述那样的通过冷却液的气化-液化循环来进行传热的结构中，为了降低冷却液的沸点，需要使芯部23的内部空间25具有比较高的真空度。因此，优选取代使用图1、4所示那样的密封件15a、31，而构成为向筒状的芯部23的两端分别压入、粘接或焊接LED安装基体11的突起部15及密封体32，从而确保内部空间25的密闭性。由此，能够长期维持高真空度。
【符号说明】
10…发光部
11…LED安装基体
12…LED安装基板
13…LED发光元件
14…遮蔽件
15…突起部
15a…密封件
16…翅片
17…销状突起物
18…热管
19…反射镜
20…散热兼电装部
21…散热片
22…电子电路收纳部
23…芯部
24…冷却液
25…内部空间
30…上部密封体
32…密封体
33…金属构件
34…金属件
35…吊挂零件
36…冷却液膨胀吸收用凹部
40…发光部
41…电子电路安装部
44…遮蔽件
51…散热片
52…冷却液封入部
53…电子电路安装部
54…下面罩

Claims (9)

1.一种LED照明装置，包括在表面安装有LED发光元件的LED安装基体和散热部，其特征在于，
所述散热部具备：
a)冷却液封入部，其固定在所述LED安装基体的里面侧且具有在内部封入有冷却液的密闭空间；
b)散热片，其设置在该冷却液封入部的外表面上。
2.根据权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，
在所述冷却液封入部的密闭空间内未完全充满所述冷却液。
3.根据权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，
所述冷却液封入部的密闭空间内的气压在常温下为负压。
4.根据权利要求2或3所述的LED照明装置，其特征在于，
封入在所述冷却液封入部中的状态下的所述冷却液的沸点比所述LED发光元件点亮时的LED安装基体所达到的温度的上限值低。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的LED照明装置，其特征在于，
在固定于所述LED安装基体上的部位处的冷却液封入部的内侧设置有用于增大与所述冷却液接触的接触面积的凹凸。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的LED照明装置，其特征在于，
在固定于所述LED安装基体上的部位处的冷却液封入部的内侧设置有向所述冷却液侧突出的热管。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的LED照明装置，其特征在于，
还具备：温度传感器，其设置于所述LED发光元件、所述LED安装基体、所述LED发光元件附近或所述LED安装基体附近；电流调节机构，其根据该温度传感器的检测值调节向所述LED发光元件供给的电流。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的LED照明装置，其特征在于，
还具备：温度传感器，其设置于所述LED发光元件、所述LED安装基体、所述LED发光元件附近或所述LED安装基体附近；点亮熄灭控制机构，其根据该温度传感器的检测值使所述LED发光元件点亮熄灭。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的LED照明装置，其特征在于，
在所述冷却液封入部的内部收纳有用于驱动所述LED发光元件的电路的至少一部分。
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