JP2005521251A - 冷却システムを備えた発光装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高効率の冷却システムを有する改善された発光装置を提供すること。
【解決手段】発光装置１は、密に実装された発光ダイオード素子の配列２を含む光源と、光源を冷却するための冷却システムとを含む。冷却システムは、ペルチェ素子４である熱電冷却素子を含み、ペルチェ素子４は、ヒートスプレッダ３を介して光源に連結され、また、ペルチェ素子４から熱を除去するための熱交換システム５、６に連結されている。熱交換システム５、６は、液体冷媒を使用してペルチェ素子４を冷却する。ＬＥＤアレー２から５Ｗｃｍ-2を超える除去率で熱を除去することによって、ＬＥＤアレーの温度を−１０°Ｃよりも低い温度に維持することができ、それによって、１Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光を射出することが可能となる。

Description

本発明は、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する光源を含む発光装置、およびこのような光源を冷却する方法に関する。
ＬＥＤを含む発光装置、特に高輝度ＬＥＤアレーを含む発光装置からの効率的な光出力の維持および／またはその動作状態での寿命の増大を達成するには、発光装置に対して効率的な除熱システムを設けることが有利である。
本発明は、高効率の冷却システムを有する改善された発光装置を提供するものである。
本発明の第１の態様によれば、
（ａ）発光ダイオード素子を含む光源と、
（ｂ）前記光源を冷却するための冷却システムと、
を含み、前記冷却システムは、
（ｉ）熱伝導体を介して前記光源に連結する熱電冷却素子と、
（ｉｉ）前記熱電冷却素子から熱を除去するための熱交換システムと、
を含む発光装置が提供される。有利には、前記熱電冷却素子は、前記熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置される。
本発明によれば、本発明を使用しない場合に比べてより大きな電力で光源を動作させることが可能となり、それによって、光エネルギー密度（optical power density）を増大させることができる。したがって、本発明に係る冷却システムは、高輝度ＬＥＤの動作および冷却に関連して特に好適なものである。勿論、本発明は、例えばレーザーダイオードのような他の発光ダイオード素子に応用することもできる。本発明によれば、高輝度ＬＥＤが組み込まれたＬＥＤアレーを設けることが可能となり、それによって、０．１Ｗｃｍ-2よりも著しく大きな（例えば、１Ｗｃｍ-2よりも大きな、さらに、２０Ｗｃｍ-2と同程度かあるいはそれよりも大きな）光エネルギー密度を有する光を発生させることができる。
このような光エネルギー出力において、本発明に係る発光装置は、有利には、前記熱伝導体の前記熱電冷却素子に隣接する部分の温度を０°Ｃよりも低く、好ましくは−１０°Ｃよりも低く維持できるように構成される。
好ましくは、前記発光装置は、使用時において、０．１Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光を出射するように構成される。
好ましくは、前記光源は、３００ｎｍと１０００ｎｍの間の波長を有する大きな成分を含む光であって、好ましくは、その範囲内の波長に出力エネルギーのピーク値を有する光を出射するように構成される。波長の範囲は、５７０ｎｍと６００ｎｍの間であってもよい。
本発明の第２の態様では、前記熱伝導体は熱伝導領域として形成され、前記熱交換システムは、ヒートパイプ系として形成されるかまたはヒートパイプ系を含むものである。本発明の第２の態様によれば、
ａ）光源系と、
ｂ）冷却システムと、
を含み、前記冷却システムは、
ｉ）前記光源系と熱伝達関係を有する熱伝導領域と、
ｉｉ）前記熱伝導領域と熱伝達関係を有する熱電冷却素子と、
ｉｉｉ）前記熱電冷却素子と熱伝達関係を有するヒートパイプ系と、
を含む発光装置が提供される。本発明のこの態様において、前記光源系は、好ましくは、半導体光源および／またはレーザー光源を含むものである。
本発明の第１の態様と第２の態様には密接な関係がある。第１の態様の特徴は、容易に第２の態様に組み込むことができ、逆に、第２の態様の特徴を容易に第１の態様に組み込むこともできる。例えば、本発明の第２の態様における光源系は、発光ダイオード素子を含んでいてもよい。第２の態様における熱伝導領域は、熱伝導体として形成されていてもよい。第１の態様の熱伝導体は、例えば、このような熱伝導領域を含んでいてもよい。第１の態様の熱交換システムは、第２の態様におけるヒートパイプ系からなるか、またはヒートパイプ系を含んでいてもよい。第２の態様におけるヒートパイプ系は、第１の態様における熱交換システムからなるか、熱交換システムを含むか、あるいは、熱交換システムに連結されていてもよい。
以下、本発明の第１の態様および第２の態様のいずれか一方または両方に関連する、好ましい特徴および任意に選択できる特徴を説明する。
好ましくは、前記熱電冷却素子は、ペルチェ冷却素子を含むものである。
ペルチェ冷却素子は、好ましくは、熱伝導体（または、熱伝導領域）の末端部に隣接する先端部を有するように構成される。ペルチェ冷却素子は、好ましくは、熱交換システム（または、ヒートパイプ系）の先端部に連接する末端部を有するように構成される。熱電冷却素子は、複数のペルチェ冷却素子を含んでいてもよい。
好ましくは、前記熱交換システムは、液体冷媒を使用するものである。
液体冷媒は、単に水からなるものであってもよい。液体冷媒は、光源、したがって熱電冷却素子の「高温端」の動作温度範囲に応じて選択される。冷媒は、エチレングリコールからなるか、それを含むものであってもよい。冷媒は、（大気圧において）−１０°Ｃよりも低い凝固点を有するか、または（大気圧において）２５°Ｃよりも高い沸点を有するか、あるいはその両方を有していてもよい。液体冷媒は、冷凍剤（refrigerant）であってもよい。熱交換システムは、好適には、ポンプ付きの冷却システムとして形成され、好ましくは、そのためのポンプを含むものである。好ましくは、熱交換システム自体が除熱ユニットに連結され、この除熱ユニットは、例えば液体冷媒から熱を除去することによって熱交換システムから熱を除去するものである。除熱ユニットは、単に放熱体として形成されていてもよく、例えば、周囲空気によって冷却されるフィン付き放熱体であってもよい。好ましくは、除熱ユニットの放熱体は、例えばファンシステムからの強制空気対流によって冷却されるように構成されるものである。
液体冷媒システムは、液体冷媒を蒸発させる膨張弁を含んでいてもよい。例えば、液体冷媒システムは、冷蔵システムのように、コンプレッサーと膨張弁とを含み、液体冷媒を膨張および／または蒸発させ、それによって液体を冷却するものであってもよい。
好適には、本発明の第２の態様におけるヒートパイプ系は、ヒートパイプの一端が熱電冷却素子と熱伝達関係にあるように配置され、他端が熱交換システムと熱伝達関係にあるように配置される。
熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）は、有利には、熱電冷却素子に隣接する先端部と、凝縮器系を備えるかまたは凝縮器系に連結する末端部とを有する。凝縮器系は、例えば、ヒートパイプに沿って熱を輸送するために使用される蒸気を凝縮させるように構成されていてもよい。熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）は、典型的には、冷媒流体（好ましくは液体）を導くものであり、冷媒は、熱電冷却素子から伝達される熱によって加熱される。有利には、冷媒は、（加熱されると）熱電冷却素子から遠ざかる方向に導かれる。例えば、冷却システムがヒートパイプを含む場合には、冷媒は、有利には、毛管作用および／または拡散によって熱電冷却素子から遠ざかる方向に導かれるように構成される。例えば、熱交換器がある場合には、有利には、冷媒はポンプによって駆動される。冷媒は、有利には、冷却領域に向けて導かれ、冷却領域は、熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）の末端領域にあってもよい。冷媒は、有利には、冷却領域での（例えば、存在する場合には凝縮器による）冷却の後に、熱電冷却素子の方向に戻される。有利には、冷媒は、熱電冷却素子から熱が伝達されると蒸発するように構成されいてる。
熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）は、好ましくは、熱電冷却素子に隣接する先端領域と、末端の冷却領域とを含んでいる。発光装置は、有利には、末端の冷却領域に、熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）を冷却するための強制冷却手段をさらに含んでいる。強制冷却手段は、水冷手段（例えば、ウォータージャケット）、および／または、空気ファン等の空冷手段であってもよい。言うまでもなく、本発明の第２の態様におけるヒートパイプ冷却系は、少なくとも１つのヒートパイプを含む。このヒートパイプは、有利には、熱電冷却素子の「高温領域」から非常に小さな熱抵抗にて熱を運び去るように構成されている。このようにして運ばれる熱エネルギーのヒートパイプからの除去が必要になることは、理解されるであろう。本発明の第２の態様におけるヒートパイプ系は、強制空冷手段のみと共に使用してもよい。本発明の第１の態様における熱交換システムには、必ずしもヒートパイプを含める必要はない。
上述した波長の高強度（intensity）光を出射可能な装置を提供することは、装置を冷却することによって可能となり、例えば医療分野（例えば、皮膚の治療との関連において）での使用のために特に有用である。前記発光装置は、医療分野での使用のために好適なように構成されていてもよい。
有利には、前記光源は複数の発光ダイオード素子を含む。複数の発光ダイオード素子は、有利には、１つの配列をなすように構成される。１個のまたはそれぞれの発光ダイオード素子は、有利には、固体素子として形成される。前記配列は、好ましくは、発光ダイオード素子の二次元配列である。
前記配列中の発光ダイオードは、好ましくは、まとまって密に実装されるように配置される。例えば、前記発光ダイオードの少なくとも２つは、前記発光ダイオードの中心間の距離が、前記発光ダイオードのパッケージ（例えば、市販のパッケージ）を覆う仮想的な円筒の直径よりも小さくなるように形成される。
このように、発光ダイオード素子のパッケージは、それぞれの素子の発光部分が、従来の形状（通常は、ほぼ円形の断面形状を有するほぼ円筒形）にパッケージされたＬＥＤの場合に比べてより密集して配置されるような形状に形成されていてもよい。
発光ダイオード素子の配列は、例えば、４個のそのような素子が、それらの中心上から見たときに仮想的な四角形（例えば、正方形）の４頂点を形成するように構成される。隣合う発光ダイオード素子のパッケージの面は、好ましくは互いに当接し、２つのパッケージ間の大きな面積に渡って接触する。好ましくは、光源を構成する少なくとも２つの発光ダイオード素子のパッケージ面は、部分的にほぼ平坦であり、組立てられた光源において平坦な面同士を対向させることができる。１個のまたはそれぞれの発光ダイオード素子は、例えば、ほぼ六角形の断面形状を有していてもよい。
発光ダイオード素子のパッケージは、その発光ダイオード素子によって出射される放射光の波長に対して透明であって、かつ発光ダイオード素子の発光部分をほぼ密閉するカバーとして形成されていてもよいことは理解されるであろう。
前記発光装置は、前記配列中の前記発光ダイオード素子の少なくとも２つが同一のパッケージを共有するように構成されていてもよい。
代替手段としてあるいは追加手段として、１個のまたはそれぞれの発光ダイオード素子は、素子中に収容された（例えば、素子のパッケージ中に収容された）複数の発光部分を含むものであってもよい。素子の発光部分は、例えば半導体チップとして形成されていてもよい。光源は、例えば、所定の領域中に密に実装された複数の個別の発光部分からなる配列を含み、この配列は、単一のパッケージ中に収容されていてもよい。前記所定の領域は、１０００ｍｍ2より小さくてもよく、さらに、１００ｍｍ2より小さくてもよい。前記所定の領域には、１０個よりも多くの発光部分を配置してもよい。また、前記所定の領域には、３０個よりも多くの発光部分を配置してもよい。例えば、配列は、それぞれ約３５０μｍ×３５０μｍの寸法を有する１００個の発光部分による１０×１０の正方格子からなるものであってもよく、この配列は、５ｍｍ×５ｍｍの正方形領域内に収容される。
前記熱電冷却素子と前記光源との間の前記熱伝導体は、ヒートスプレッダを含んでいてもよい。
ヒートスプレッダは、有利には、比較的狭い領域から比較的広い領域に熱を伝導するものである。ヒートスプレッダは、銅からなるかまたは銅を含むものであってもよい。ヒートスプレッダは、好ましくは、光源からの熱伝達の経路に対して大きな熱抵抗を与えないように構成および配置される。ヒートスプレッダは、好ましくは、熱の収容領域を比較的狭い領域から比較的広い領域に変換することができ、それによって熱密度を低減するために十分な形状、特に厚みを有している。
前記発光装置は、前記熱電冷却素子から前記熱交換システムへ熱を伝達するために、さらなる熱伝導体を含むように構成されていてもよい。
前記冷却システムは、前記冷却システムの一部からまたは前記冷却システムの一部へ熱を伝導するための１つまたは複数のヒートパイプを含んでいてもよい。
前記冷却システムの一部は、上述したさらなる熱伝導体であってもよく、例えば、使用時において、熱電冷却素子から１つまたは複数のヒートパイプを介して熱交換システムへ熱が伝達される。前記冷却システムの一部は、熱電冷却素子と光源との間の熱伝導体であってもよい。例えば、発光装置は、使用時において、光源から１つまたは複数のヒートパイプを介して熱電冷却素子に熱を伝達するものであってもよい。本発明に係る発光装置において、周知のヒートパイプ系を使用することができる。
熱伝導体は、有利には、光源系に隣接させて配設された高熱伝導率材料層を含んでいてもよい。本発明の第２の態様における熱伝導領域は、そのような高熱伝導率材料層として形成されていてもよい。高熱伝導率材料層は、ＣＶＤ（化学気相成長）ダイアモンド被膜を含んでいてもよい。一例として、高熱伝導率材料層は、例えば金属基板である基板上に設けられてもよい。この基板は、ヒートスプレッダとして機能するか、または、ヒートスプレッダを形成するものであってもよい。基板と高熱伝導材料層とで熱伝導体を形成するものであってもよい。熱伝導領域の厚みは、除去すべき熱量および領域の材料の熱伝導率に応じて選択することができる。熱伝導体は、１ｍｍ程度から約５０ｍｍまでの厚みを有していてもよい。熱伝導体は、１ｍｍ程度の厚みを有する熱伝導領域を含んでいてもよい。しかしながら、有利には、熱伝導領域は５０μｍ以下（有利には２０μｍ以下、最も有利には１０μｍ以下）の厚みを有するものである。例えば本発明の第２の態様における熱伝導領域が高熱伝導率材料層として形成される場合に、そのような薄膜を形成するものであってもよい。このように、熱伝導領域は、約１０μｍ〜約５ｍｍの範囲の厚みを有していてもよい。
熱伝導体の熱伝導領域は、有利には、高熱伝導率材料の堆積膜であり、好ましくはプラズマ／化学気相成長法により堆積される。高熱伝導率材料は、有利には、光源系の表面（例えば、ＬＥＤ素子の後面側の熱透過面、またはそのようなＬＥＤ素子の配列に対して取り付けられたヒートシンク）上に直接的に堆積される。有利には、高熱伝導領域は、ダイアモンド材料の被膜を含む。他の適切な材料には、酸化鉛、および／またはサファイア材料、および／または銀材料が含まれる。光源系（典型的は、発光ダイオード素子のような個別の光源の配列）から流れる熱は、比較的高い熱伝導率を有するヒートスプレッダによって、より広い領域に広げられる。
前記発光装置は、有利には、前記冷却システムを制御するための制御手段（典型的には、制御ユニット、マイクロプロセッサ、または他の適切な駆動回路）を含むものである。
前記熱電冷却素子は、有利には、前記熱伝導体（または熱伝導領域）からの熱伝達および／または前記熱交換システム（または、ヒートパイプ系）への熱伝達を決定するように制御される。例えば、熱電／ペルチェ素子は、そのような目的のために熱電素子への電流を制御する制御手段を含んでいてもよい。
熱伝導体／熱伝導領域からの（したがって、光源系からの）熱伝達を制御するために熱電／ペルチェ素子を使用することによって、光源系の熱管理を最適かつ正確に制御することができる。発光装置は、光源を単に連続的に冷却するように構成されていてもよい。しかしながら、発光装置は、好ましくは、光源の一部または一領域の温度を所定の範囲内に維持するように構成されるものである。制御手段は、例えば熱電対素子を含むセンサのような温度センサからの入力信号を受信するように構成されていてもよい。温度センサは、好ましくは、可能な限り光源に近接させて配置される。制御手段は、温度センサからの入力信号に応じて、発光装置の少なくとも一部を動作させるように構成される。例えば、冷却システムをフィードバック構成により動作させて、光源の温度を制御するものであってもよい。制御手段は、冷却システム中の熱伝導体と熱電冷却との間の接合領域の温度を、１５°Ｃよりも低く、より好ましくは、０°Ｃよりも低く維持するように構成されていてもよい。この温度は、実質的に−４０°Ｃと―１０°Ｃの間の範囲内に維持するものであってもよく、好適には、実質的に−２５°Ｃと−１０°Ｃの間の範囲内に維持するものであってもよい。制御手段は、この制御手段によって温度が所望の範囲外にあることが検知された場合には、温度が所望の範囲外にあることを警告するように動作するように構成されていてもよい。そのような動作は、視覚的または聴覚的な通報のような警告であってもよく、あるいは、少なくとも一時的に、単に光源の動作を停止するものであってもよい。有利には、発光装置は、細長いハウジングを含み、このハウジングは、光源からの光を出射する先端部と、熱交換システム（または、ヒートパイプ冷却系）の末端部に近接する末端部を有する。有利には、光源、熱伝導体（または熱伝導領域）、熱電冷却素子、および熱交換システム（またはヒートパイプ冷却系）は、この順序で互いに一直線上に配置される。
本発明の第３の態様よれば、本発明の第１の態様における発光装置の光源のための冷却システムが提供され、その発光装置には、本発明の第１の態様に関連させてここに記載された任意の特徴が含まれる。
有利には、この冷却システムは、
ｉ）熱伝導体に連結された熱電冷却素子と、
ｉｉ）前記熱電冷却素子から熱を除去するための熱交換システムと、
を含み、前記熱伝導体を介して光源に連結するように構成されている。有利には、前記熱電冷却素子は、前記熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置される。
冷却システムが熱伝導を介して光源に連結されると、冷却システムは、使用時において、光源を冷却することができる。
本発明の第４の態様によれば、本発明の第２の態様における光源系のための冷却システムが提供される。本発明の第４の態様における冷却システムは、有利には、
ｉ）光源系と熱伝達関係にある熱伝導領域と、
ｉｉ）前記熱伝導領域と熱伝達関係にある熱電冷却素子と、
ｉｉｉ）前記熱電冷却素子と熱伝達関係にあるヒートパイプ系と、
を含む。
本発明の第５の態様によれば、光源を冷却する方法が提供され、この方法は、
ａ）発光ダイオード素子を含む光源を準備して動作させるステップと、
ｂ）前記光源を冷却するステップと、
を含み、前記光源を冷却するステップは、
ｉ）熱電冷却素子によって前記光源からの除熱を実施することと、
ｉｉ）熱交換システムによって前記熱電冷却素子からの除熱を実施することと、
を含む。有利には、前記熱電冷却素子は、熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置される。
冷却システム中の前記熱伝導体と前記熱電冷却素子との間の接合領域は、好ましくは、１５°Ｃよりも低い温度に維持され、より好ましくは０°Ｃよりも低い温度に維持される。有利には、この温度は−１０°Ｃよりも低い温度に維持される。
例えば、この温度は、実質的に−４０°Ｃと−１０°Ｃの間の範囲内に維持するものであってもよく、好適には、実質的に−２５°Ｃと−１０°Ｃの間の範囲内に維持するものであってもよい。冷却システム中の熱伝導体と熱電冷却素子との間の接合領域は、熱電冷却素子の「低温端」として形成されていてもよい。この温度は、例えば制御ユニット、マイクロプロセッサ、または他の適切な駆動回路などの制御手段によって、所定の範囲内に維持されるものであってもよい。
本発明に係る方法は、前記光源が比較的大きな光エネルギー密度を発生させるように駆動される場合に、特に有用である。前記光源は、０．１Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光が発生するように動作するものであってもよい。
好ましくは、光源は、０．５Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光が発生するように動作するものである。さらに好ましくは、この光エネルギー密度は、１Ｗｃｍ-2よりも大きく、１０Ｗｃｍ-2より大きくてもよい。本発明に係る方法は、光源が比較的狭い領域から比較的高い強度（intensity）の光を出射する場合に特に有用である。発光装置から出射される光は、好ましくは、ほぼ完全にビーム内に収まっており、そのビームは、素子の直近において１００ｃｍ2よりも小さい断面積、好ましくは４ｃｍ2よりも小さい断面積を有する。
好ましくは、光源を構成する１個またはそれぞれの発光ダイオード素子は、１０ｍＷと５０Ｗの間、より好ましくは１００ｍＷと３０Ｗの間の電力で駆動される。光源が（例えば、１０×１０の正方形状に配列された）１００個の発光ダイオード素子を含む場合、全駆動電力は１００Ｗ程度にすることができる。例えば、光源は、発光ダイオード素子の数と定格電力に応じて１００Ｗを超える電力で駆動してもよい。電力は、数秒程度の期間に渡ってほぼ連続的であってもよく、またはパルス状であってもよい。
好ましくは、前記光源は、５７０ｎｍと６００ｎｍの間の波長にエネルギーのピーク値を有する光を出射するように動作する。
前記光源からの熱の除去率は、１Ｗｃｍ-2より大きくてもよく、好ましくは、５Ｗｃｍ-2より大きいものである。
より好ましくは、この熱の除去率は１０Ｗｃｍ-2より大きく、さらに好ましくは、約２０Ｗｃｍ-2以上である。
本発明の第６の態様によれば、光源から得られる光エネルギー密度を増大させる方法が提供される。この方法には、本発明の第５の態様に関連させて上述した任意の特徴を含む本発明の第５の態様における方法を実施することが含まれる。
上述した本発明の様々な態様は密接に関連し、したがって、１つの態様に関連させて説明した特徴を、本発明の別の態様に容易に組み込むことができることは、理解されるであろう。例えば、本発明に係る方法は、本発明に係る装置を使用することによって実施することができる。また、例えば本発明の第５および第６の態様における光源は、密に実装された複数の発光ダイオード素子の配列を含んでいてもよいことは、理解されるであろう。
以下、例示のみを目的として、本発明の実施形態を概要図を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における装置１０の使用態様を示す図である。この装置は、患者の皮膚１１に放射光１２を照射することによって、皮膚を治療するために使用される。この装置によって出射される放射光は、直径約６ｍｍのスポットをなすものである。本実施形態において、装置１０は、携帯用の装置であり、発光デバイス（illuminating device）１、この発光デバイスに接続されて発光デバイス１による光放射を制御するための制御部９、および発光デバイスを冷却するための手段（図１には図示されていない）が含まれている。装置１０のハウジングは細長い形状であり、その先端部を通じて発光デバイス１からの光が出射される。ハウジング全体の長さは、約１５ｃｍである。
この装置は、放射の持続時間と放射エネルギーをプログラムにより設定することができる。例えば、直径６ｍｍの円領域に１．５Ｊｃｍ-2の光エネルギーを供給する持続時間１秒の単一パルスを発生するように設定することもできる。発光デバイス１のエネルギー出力のピーク値は、通常、５Ｗｃｍ-2よりも小さい。発光デバイスから出射される放射光には、約５８５ｎｍの波長に強度のピーク値を有する光が含まれ、また、５７０〜６００ｎｍの範囲の波長を有する放射光成分が含まれる。このような波長は、皮膚の特定の状態を治療するために適している。
発光デバイスは、二次元アレー２状に配置された複数のＬＥＤ７（図２には、最密状態に配置されたＬＥＤが概略的に図示されている）を含み、これらのＬＥＤは、ＬＥＤから出射された放射光を集光するレンズ系（図示せず）に接続されて、集積化光源（concentrated source of light）が形成されている。したがって、発光デバイス１は、皮膚の「スポット治療」（すなわち、小さな領域を一度に治療すること）に適している。図３は、発光デバイス１の他の構成要素を示しており、ＬＥＤを冷却するための冷却手段が含まれる。
図３を参照すると、発光デバイス１には、順に、ＬＥＤアレー２、高熱伝導性ヒートスプレッダ層３、ペルチェ型熱電冷却体４、ヒートパイプ系５（端部の凝縮器６を含む）が含まれている。
ヒートスプレッダ３、熱電冷却体４、およびヒートパイプ系５は、ＬＥＤの動作温度を低いレベルに維持して最大の効率で動作させるために設けられている。周知のように、ＬＥＤの効率は、動作温度の低下に伴って増大し、５５０ｎｍと６５０ｎｍの間で動作するＬＥＤの場合には、この温度依存性は非常に高い。
ＬＥＤアレー２から流れる熱は、高熱伝導性ヒートスプレッダ層３によってより広い領域に広げられる。この層は、典型的には、数ミリメートルの厚さしか有さず、ＬＥＤアレー２からの高速かつ高効率の熱伝達を提供する。熱は、次いで、ペルチェ型熱電冷却体４の低温端に流れる。ペルチェ冷却体層４の高温端は、ヒートパイプ５と熱伝達結合している。ＬＥＤアレーは、任意の所望の波長（または波長の組合せ、または波長帯域、または波長帯域の組合せ）の光を出射するように構成することができ、パルス光モードまたは連続光モードで動作できる。典型的には、高熱伝達性ヒートスプレッダ層３にはダイアモンド材料が含まれ、このダイアモンド材料は、プラズマ／化学蒸着法によって堆積される。他の適切な材料には、例えば、サファイア、酸化鉛、銀等が含まれる。
ペルチェ冷却体４には、関連する駆動回路を含む別体の制御手段が含まれ、この駆動回路は、使用時において、高熱伝導性ヒートスプレッダ層３を介するＬＥＤアレー３からの熱伝達を高精度に制御するものである。高熱伝導性ヒートスプレッダ層３および下流側のヒートパイプ冷却系５を備えることと共に、ペルチェ型熱電冷却体４の動作を高精度に制御することによって、装置、特にＬＥＤアレー２を非常に効率良く熱管理することができ、これによって、光出力の一貫性が保証される。装置の熱を管理することによって、ＬＥＤアレーの最大寿命を増大させることもできる。
ヒートパイプ系５には、（ヒートパイプ系５に含まれる）液体冷媒を、毛管作用、重力、または拡散によって「高温領域」から遠ざかる方向に導くための芯（wick）が含まれる。ヒートパイプ系には、装置の凝縮器６が設けられた末端の「低温領域」から、冷却された流体を帰還させるための流体帰還システムが含まれる。凝縮器６自体は、空冷によって冷却される。
本発明のこの実施形態は、高熱伝導性ヒートスプレッダ層３、熱電ペルチェ冷却体４、および冷却パイプ系５の協働作用的な組合せによって、ＬＥＤアレー２の精密に制御された効率的な熱管理が可能になる点で、著しく有利なものである。これらの配置構成は、典型的には、細長いハウジングに収容され、ＬＥＤアレーからハウジングの先端部を通じて光が出射される。高熱伝導性ヒートスプレッダ層３、熱電ペルチェ冷却素子４、およびヒートパイプ系５を、互いに直線上に順番に配列することによって、特にハウジング中の装置全体の長さが５０ｃｍ以下の場合に、携帯による操作および使用のために便利な装置が提供される。
図４〜図６ｃは、本発明の第２の実施形態における装置１８を示す図である。図４は、装置１８の構成要素を概念的に示すブロック図である。装置１８には、ＬＥＤアセンブリ２０と共に関連する内蔵冷却システム（図４には図示せず）を含むハンドピース１９、ハンドピース１９を制御するための制御部５１、内蔵冷却システムのための電源５３、および内蔵冷却システムから熱を除去するための別体の水冷システム５２が含まれる。
電子制御部５１は、ＬＥＤアセンブリの各ＬＥＤに、連続的なＤＣ（直流）電力またはパルス電力の形式で制御された電力を供給する。
水冷システム５２は、水中ポンプ、貯水器、および放熱体システムを含む。放熱体システムは、ハンドピース１９の内蔵冷却システムから加熱された水を受け入れる。その水は、放熱体システムを通過すると冷却される。冷却水は、次いで、ハンドピース１９の内蔵冷却システムにフィードバックされる。放熱体での熱交換は、空冷ファンによって補助される。
内蔵冷却システムのための電源５３には、使用される冷却方法を補助するためのフィードバックループ５４が組み込まれている。ＬＥＤアセンブリの温度を予め選択された温度に維持するために、ＬＥＤアセンブリ２０の温度が検知され、冷却システムに供給される電力は、検知された温度に応じて制御される。本実施形態では、予め選択された温度は、−１５°Ｃ（２５８Ｋ）である。
図５ａは、ハンドピース１９の側断面図を示し、図５ｂは、ハンドピース１９の平面図を示す。上述したように、ハンドピースには通常は細長いハンドピース１９の一端に取り付けられたＬＥＤアセンブリ２０と、ハンドピース本体に収容された内蔵冷却システムが含まれている。この冷却システムは、ヒートスプレッダ２１、ペルチェアセンブリ２６、および水冷ユニット２５を含む。ハンドピースの全体的な長さは約１５ｃｍである。
ヒートスプレッダ２１は円盤２２を含み、その一面はＬＥＤアセンブリ２０のヒートシンクと熱伝達的に接触しており、他方の面は、フラットプレート２３の一端と一体に形成されるかまたはフラットプレートの一端に連結されている。ヒートスプレッダは銅からなる（ただし、例えば銀またはダイアモンドのような高い熱伝導率を有する任意の他の材料からなるか、またはその材料によりコーティングされていてもよい）。
ペルチェアセンブリ２６は、６個のペルチェ冷却ユニット２７からなり、各ペルチェユニット２７の低温側がヒートスプレッダ２１のプレート２３に接触するように、フラットプレート２３のそれぞれの側に３個づつ取り付けられている。
ペルチェアセンブリの一部を取り囲む水冷ユニット２５は、各ペルチェユニット２７の高温側と緊密な熱伝導性接触をしており、使用時において、ペルチェアセンブリ２６から熱を除去するものである。冷却ユニット２５には、ハンドピース１９の対向する側に配置された２つのアルミニウム製ブロックが含まれる。図５ｂには、ブロックの１つが平面図で示されている。このブロックは、ダクト２８を含み、このダクトは、ダクトとペルチェユニット２７との間に配置されたシールプレート２９によってシールされている。別体の水冷冷却システム５２からの相対的に低温の水が入口ポート３０を通じて各ダクト２８に入り、相対的に高温の水が出口ポート３１を通じて各ダクトから出て、別体の冷却システム５２に戻る。水は、別体の水冷システム５２のポンプによって循環する。
このように、ＬＥＤアセンブリは、使用時において、内蔵冷却システム、特にペルチェアセンブリによって冷却され、ペルチェアセンブリは、水冷ユニット２５および別体の水冷システム５２によって冷却される。
図６ａ〜図６ｃには、ＬＥＤアセンブリがより詳細に示されている。ＬＥＤアセンブリは、４個の標準的なＬＥＤを含み、それぞれのＬＥＤは、削り出しまたは機械加工によってハウジングの一部を取り除くように修正されて、２つの直角に隣接する面が形成されている。１個のＬＥＤの削り面は、隣接するＬＥＤの削り面と接触し、それによって、４個のＬＥＤは、四つ葉のクローバー型の配列４１を形成している。このようにしてＬＥＤのハウジングから材料を除去することによって、ＬＥＤのそれぞれのダイは、このような加工を施さない場合に比べてより近接するように配置される。
電気的接続は、ＬＥＤアセンブリ２０によって形成されるフランジ上に取り付けられたプリント回路基板４３を通じて提供される。ＬＥＤアレー４１上には、円形断面を有する円筒部４４を含む反射体４２が取り付けられ、ＬＥＤアレー４１の光出力側は、この円筒部４４によって取り囲まれている。円筒部の内部は、研磨された反射面４５を形成し、ＬＥＤアレー４１からの光が円筒部４４の開口端によって形成される円形開口部を通じて出射するように導くものである。
円筒部の反射面４５は、ＬＥＤアレー４１からの光を可能な限り効率的に円形開口部へ伝達するような形状に形成されている。円筒部４４の壁は、ＬＥＤアレー４１から円形開口部に結合される光量を最大化しつつ、開口部の直径を最小化して大きな光エネルギー密度（optical power density）を得るような角度に構成されている。円筒部の内部は、柔軟かつ透明なゲルで満たされており、ＬＥＤダイ上での結露（condensation）を防止するものである。好適に使用されるゲルのタイプは、経時的にもあるいは温度サイクルによっても変色せず、好ましくは柔軟性を有し、また、ＬＥＤからある程度の熱を伝導可能なものである。このゲルは、約１．５の屈折率を有し、ＬＥＤの半導体表面（屈折率は約３）と空気（屈折率は１．００）との間の屈折率のステップとなっている。この屈折率のステップによって、ＬＥＤダイ内からの光子の透過確率が増大するため、光の抽出が改善される。このような光学ゲルは、米国マサチューセッツ州フェアヘイブンのナイ・ルブリカンツ社（Nye Lubricants, Fairhaven, Massachusetts, USA）から市販されている（ナイ・ルブリカンツは、マサチューセッツ州ベッドフォードのウィリアム・エフ・ナイ，インコーポレイテッドとして知られているまたは以前知られていた会社、あるいはその関連会社の商取引上の名前であると思われる）。
チューブの自由端の領域において、ゲルは、硬化した透明エポキシ樹脂の層によって被覆されている。これによって、光学レンズ作用、物理的保護、および半導体ダイと外部の空気との間のある程度の屈折率整合を得ることができる。プリント回路基板４３と反射体４５との間には、絶縁層４６が配置される。
第２の実施形態における装置は、第１の実施形態における装置に対して、所望の場合、より高レベルの強度（light intensity）を発生させるために使用できるという利点を有する。この利点は、ＬＥＤアレーの動作温度をさらに低温化し、それによって、ＬＥＤの効率を増大させると共に、ＬＥＤ素子の駆動電流を、ＬＥＤアレーをより高温で動作させる場合に可能なレベルよりも増大させることを可能とすることによって、より顕著なものとすることができる。先行技術における装置では、ＬＥＤアレーに流れる電流を増大させると、ＬＥＤの温度が上昇する。ＬＥＤが正常に動作する温度の最大値は、ＬＥＤダイのパッケージおよび配線に依存する。したがって、ＬＥＤのヒートシンク底部の温度を下げれば、ＬＥＤの最大許容温度に到達するまでに、ＬＥＤを通じてより大きな電流を流すことができる。勿論、最大許容電流のような他の制限がある場合があるが、そのような制限はＬＥＤアレーのパッケージを変更することで克服することができる。
本発明の思想を逸脱することなく、上述した実施形態を様々に変更できることは理解されるであろう。例えば、発光デバイスを、複数の上述した発光デバイスを直線状に配列して形成するか、または、複数の発光デバイスを二次元的に配列して形成してもよい。
第２の実施形態におけるヒートスプレッダは、ヒートパイプとして形成されていてもよく、また、ダイアモンドでコーティングされた材料により形成されていてもよい。第２の実施形態については、市販のＬＥＤの側面を機械加工によって修正するのではなく、この目的専用に設計されたヘッダ上にＬＥＤダイを取り付けることができる。これによって、ＬＥＤダイを標準的パッケージのＬＥＤよりも大幅に近接させてパッケージすることができ、出力される光エネルギー密度を増大させることができる。ただし、この場合、必要な電力密度も増大するため、添付図面を参照して説明したような効率的な冷却装置の使用が必須となる。また、反射体円筒部の内部のゲルは、種々の屈折率を有する複数のゲルと置換することもでき、それによって、出力光のビームを所望の形状に整形することができる。例えば、このような複数のゲルを使用しない場合に比べてより細いビームを発生させることができる。勿論、第２の実施形態における水冷システムにおいて、水以外の液体冷媒を使用することができる。上述したＬＥＤは、レーザーダイオードで置換することもできる。
図１は、本発明の第１の実施形態における装置を示す図であり、患者の皮膚を治療するために使用される発光デバイスと制御部とが含まれる。 図２は、図１に示す装置の制御部と発光デバイスとを示す図である。 図３は、図１に示す装置の発光デバイスをより詳細に示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態における装置の構成要素を示すブロック図である。 図５ａは、本発明の第２の実施形態における装置のハンドピースを示す側断面図である。 図５ｂは、図５ａに示すハンドピースの平面図である。 図６ａは、図５ａに示すハンドピースを端面から見た平面図であり、ＬＥＤアセンブリが示されている。 図６ｂは、図６ａに示すＬＥＤアセンブリの透視図である。 図６ｃは、図６ａに示すＬＥＤアセンブリの側面図である。

Claims (21)

  1. （ａ）発光ダイオード素子を含む光源と、
    （ｂ）前記光源を冷却するための冷却システムと、
    を含む発光装置であって、前記冷却システムは、
    （ｉ）熱伝導体を介して前記光源に連結する熱電冷却素子と、
    （ｉｉ）前記熱電冷却素子から熱を除去するための熱交換システムと、
    を含み、前記熱電冷却素子は、前記熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置されることを特徴とする発光装置。
  2. 前記発光装置は、使用時において、前記熱伝導体の前記熱電冷却素子に隣接する部分の温度を−１０°Ｃよりも低く維持できるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
  3. 前記発光装置は、使用時において、０．１Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
  4. 前記光源は、５７０ｎｍと６００ｎｍの間の波長にエネルギーのピーク値を有する光を出射するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の発光装置。
  5. 前記熱電冷却素子は、ペルチェ冷却素子を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の発光装置。
  6. 前記熱交換システムは、液体冷媒を使用することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の発光装置。
  7. 前記光源は、二次元の配列をなすように配置された複数の発光ダイオード素子を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の発光装置。
  8. 前記配列中の前記発光ダイオードの少なくとも２つは、前記発光ダイオードの中心間の距離が、前記発光ダイオードのパッケージを覆う仮想的な円筒の直径よりも小さくなるようにパッケージされかつ配置されていることを特徴とする請求項７に記載の発光装置。
  9. 前記配列中の前記発光ダイオードの少なくとも２つは、同一のパッケージを共有していることを特徴とする請求項７に記載の発行装置。
  10. 前記熱伝導体は、ヒートスプレッダを含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の発光装置。
  11. 前記熱電冷却素子から前記熱交換システムへ熱を伝達するために、さらなる熱伝導体が配置されていることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の発光装置。
  12. 前記冷却システムは、前記冷却システムの一部からまたは前記冷却システムの一部へ熱を伝達するための１つまたは複数のヒートパイプを含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１つに記載の発光装置。
  13. 前記熱電冷却素子は、前記熱伝導体からの熱伝達および／または前記熱交換システムへの熱伝達を決定するように制御されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１つに記載の発光装置。
  14. 前記発光装置は、前記熱電冷却素子への電流を制御するための制御手段を含むことを特徴とする請求項１３に記載の発光装置。
  15. 光源系を冷却するための冷却システムであって、
    ｉ）熱伝導体に連結された熱電冷却素子と、
    ｉｉ）前記熱電冷却素子から熱を除去するための熱交換システムと、
    を含み、前記冷却システムは、前記熱伝導体を介して光源に連結するように構成され、前記熱電冷却素子は、前記熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置されることを特徴とする冷却システム。
  16. 光源を冷却するための方法であって、
    ａ）発光ダイオード素子を含む光源を準備して動作させるステップと、
    ｂ）前記光源を冷却するステップと、
    を含み、前記光源を冷却するステップは、
    ｉ）熱電冷却素子によって前記光源からの除熱を実施することと、
    ｉｉ）熱交換システムによって前記熱電冷却素子からの除熱を実施することと、
    を含み、前記熱電冷却素子は、熱伝導体と前記熱交換システムとの間に配置されることを特徴とする方法。
  17. 冷却システム中の前記熱伝導体と前記熱電冷却素子との間の接合領域は、−１０°Ｃよりも低い温度に維持されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 前記光源は、０．１Ｗｃｍ-2よりも大きな光エネルギー密度を有する光が発生するように動作することを特徴とする請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 前記光源は、５７０ｎｍと６００ｎｍの間の波長にエネルギーのピーク値を有する光を出射するように動作することを特徴とする請求項１６から１８のいずれか１つに記載の方法。
  20. 前記光源からの熱の除去率は、５Ｗｃｍ-2よりも大きいことを特徴とする請求項１６から１９のいずれか１つに記載の方法。
  21. 請求項１６から２０のいずれか１つに記載の方法を実施することを含む、光源から得られる光エネルギー密度を増大する方法。
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