JP2006100836A - 発光ダイオード装置および自動車用のヘッドライト - Google Patents

Abstract

【課題】特に効果的に冷却される発光ダイオード装置を提供する。
【解決手段】各発光ダイオードチップ１に少なくとも１つの光学素子４が対応配置されており、発光ダイオードチップ１により発生させられた熱を導出するために適した少なくとも１つの熱伝導エレメント１３と、該熱伝導エレメント１３により導出された熱を導出するために適した少なくとも１つの冷却装置とが設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、発光ダイオード装置およびこのような発光ダイオード装置を備えた自動車用のヘッドライトに関する。

本発明の課題は、特に効果的に冷却される発光ダイオード装置を提供することである。

さらに本発明の課題は、このような発光ダイオード装置を備えた自動車用のヘッドライトを提供することである。

この課題を解決するために本発明の発光ダイオード装置の構成では、
−少なくとも１つの発光ダイオードチップが設けられており、各発光ダイオードチップに少なくとも１つの光学素子が対応配置されており、
−該発光ダイオードチップにより発生させられた熱を導出するために適している少なくとも１つの熱伝導エレメントが設けられており、
−該熱伝導エレメントにより導出された熱を吸収するために適している少なくとも１つの冷却装置が設けられている
ようにした。

さらに上記課題を解決するために本発明の自動車用のヘッドライトの構成では、発光ダイオード装置が自動車用のヘッドライトの光源として設けられているようにした。

少なくとも１つの発光ダイオードチップを有する発光ダイオード装置が記載される。この発光ダイオード装置は多数の発光ダイオードチップを有していると有利である。

発光ダイオード装置の少なくとも１つの第１の構成では、各発光ダイオードチップに少なくとも１つの光学素子が対応配置されている。光学素子とは、たとえば光線反射型、光線屈折型または光線回折型の光学系であってよい。たとえば各発光ダイオードチップに正確に１つの光学素子を対応させることが可能である。しかし、複数の発光ダイオードチップにそれぞれ１つの共通の光学素子を対応させることも可能である。

さらに、発光ダイオード装置は、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を導出するために適している少なくとも１つの熱伝導エレメントを有していると有利である。発光ダイオードチップからの熱の搬出はこの場合、熱伝導エレメントにおいて有利には主として熱伝導によって行われる。この場合、「主として熱伝導によって」とは、熱放射線または対流のような熱搬送の別のメカニズムはせいぜい二義的な役割しか果たさないことを意味している。

熱伝導エレメントとは、たとえば支持体であってよく、この支持体に発光ダイオードチップが被着されている。

さらに発光ダイオード装置は、熱伝導エレメントにより導出された熱を吸収しかつ導出するために適している少なくとも１つの冷却装置を有していると有利である。冷却装置はこの場合、熱を熱伝導または対流によって導出するために適していると有利である。さらに、冷却装置が、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を一部は熱伝導によって、一部は対流によって熱伝導エレメントから導出するために適していることも可能である。

すなわち、少なくとも１つの構成では、少なくとも１つの発光ダイオードチップを有する発光ダイオード装置が記載され、この場合、各発光ダイオードチップには少なくとも１つの光学素子が対応配置されている。さらに、発光ダイオード装置は、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を導出するために適している少なくとも１つの熱伝導エレメントと、該熱伝導エレメントにより導出された熱を吸収するために適している少なくとも１つの冷却装置とを有している。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、複数の発光ダイオードチップのうちの少なくとも１つの発光ダイオードチップが、放射線取出しのための放射線出力結合面を有しており、この放射線出力結合面を通じて、当該発光ダイオードチップから放出された電磁放射線の大部分が出力結合される。発光ダイオードチップから放出された全放射線が前記放射線出力結合面を通じて出射すると特に有利である。放射線出力結合面は、たとえば発光ダイオードチップの表面の一部により与えられている。放射線出力結合面は発光ダイオードチップの主面により与えられていると有利である。この主面は、たとえば電磁放射線を発生させるために適している発光ダイオードチップの連続したエピタキシ層列（Epitaxieschichtfolge）に対して平行に配置されている。

このためには、エピタキシ層列が、たとえばｐｎ接合、ダブルヘテロ構造、単一量子井戸（Einfach-Quantentopf）または特に有利には多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有していてよい。「量子井戸構造」という呼称は本願の枠内では、電荷キャリヤが閉込め（confinement）によりそのエネルギ状態の量子化を受ける、あらゆる構造を包含する。特に「量子井戸構造」は、量子化の次元数に関する記載を含んでいない。したがって、「量子井戸構造」はとりわけ一次元量子井戸（Quantentroege）、量子ワイヤもしくは量子細線（Quantendraehte）および量子ドット（Quantenpunkte）およびこれらの構造のあらゆる組合せを包含する。

発光ダイオードチップは、成長基板が少なくとも部分的に除去されていてかつ最初の成長基板とは反対の側の表面に支持エレメントが被着されているような半導体発光ダイオードチップであると有利である。

支持エレメントは、成長基板と比較して比較的自由に選択され得る。放射線を発生させるエピタキシ層列に熱膨張係数に関して特に良好に適合されている支持エレメントが選択されると有利である。さらに、支持エレメントは、特に良熱伝導性の材料を含有していてよい。こうして、発光ダイオードチップの作動中に発生させられた熱は特に効果的に熱伝導エレメントへ導出される。

成長基板の除去により製造されたこのような発光ダイオードチップは、しばしば「薄膜発光ダイオードチップ（Duennfilmleuchtdiodenchips）」と呼ばれ、有利には以下に挙げる特徴によりすぐれている：
−放射線を発生させるエピタキシ層列の、支持エレメント側に向けられた第１の主面に、反射性の層または層列が被着されるか、または形成されており、この層または層列は、エピタキシ層列内で発生させられた電磁放射線の少なくとも一部をエピタキシ層列内へ再反射させる。
−エピタキシ層列が有利には最大２０μｍ、特に有利には最大１０μｍの厚さを有している。
−さらにエピタキシ層列が有利には、混合構造を有する少なくとも１つの面を備えた少なくとも１つの半導体層を有している。理想的事例では、この混合構造はエピタキシ層列内での光線の、ほぼエルゴード的（ergodisch）な分配をもたらす。すなわち、混合構造はできるだけエルゴード的に確率的（stochastisch）な散乱特性を有している。

薄膜発光ダイオードチップの基本原理は、たとえば刊行物Ｉ．Ｓｃｈｎｉｔｚｅｒ他著の「Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６３（１６）」（１９９３年１０月１８日）、第２１７４〜２１７６頁に記載されているので、薄膜発光ダイオードチップの基本原理の詳しい説明は省略する。

発光ダイオード装置の全ての発光ダイオードチップが薄膜発光ダイオードチップであると特に有利である。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、光学素子が、発光ダイオードチップにより放出された電磁放射線の発散を減少させるために適している。

このためには、光学素子がたとえば反射光学系であってよい。すなわち、光学素子は、発光ダイオードチップにより放出された電磁放射線の少なくとも一部を反射させるために適している。このためには、光学素子が、たとえば、放射線入射開口を放射線出射開口に接続する側壁を有していてよい。側壁は反射性に形成されていると有利である。光学素子の放射線入射開口を通って入射した電磁放射線は、次いで少なくとも部分的に前記側壁で反射させられ、そして放射線出射開口を通じて再び光学素子から進出することができる。

このためには、前記側壁が反射性の材料で被覆されていてよい。しかし、前記側壁が、適当な屈折率を有する誘電性の材料を有していてもよい。これにより、放射線入射開口を通じて進入した放射線は側壁と、周辺媒体との境界面で全反射により反射させられる。

光学素子はさらに、誘電性の材料から成る中実体（Vollkoerper）であってよい。その場合、放射線入射開口を通じて光学素子に進入した電磁放射線は、有利には周辺媒体に対する中実体の側方の境界面において全反射により反射させられる。

光学素子は、放射線入射開口を通じて入射したビームコーンの、少なくとも空間方向における発散を減少させると有利である。この場合、ビームコーンは放射線出射開口を通じて出射する際に、光学素子に対応した発光ダイオードチップの放射線出力結合面に直角に位置する光学素子の中心軸線に対して０〜３０゜の開き角、有利には０〜２０゜の開き角、特に有利には０〜１０゜の開き角を有するようになる。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、反射光学系が非結像型の集光器である。この場合、光学素子は有利には、少なくとも１つの発光ダイオードチップの放射線出力結合面に後置されていて、この場合、光学素子の放射線入射開口は集光器の固有の放射線出射開口となる。集光器はこの場合、発光ダイオードチップに向かって先細りになっている。こうして、放射線入射開口を通じて光学素子に入射する電磁放射線は、減じられた発散を持って集光器の放射線出射開口を通じて集光器から進出する。このためには、光学素子が少なくとも部分的に、以下に挙げる光学素子のうちの１つの形で形成されていてよい：
複合放物型集光器（CPC=Compound Parabolic Concentrator）、複合楕円型集光器（CEC=Compound Elliptic Concentrator）、複合双曲面型集光器（CHC=Compound Hyperbolic Concentrator）。すなわち、たとえば光学素子の反射性の側壁は少なくとも部分的に上記光学素子のうちの少なくとも１つの光学素子の形に形成されている。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、非結像型の集光器が、放射線入射開口を放射線出射開口に接続する側壁を有していてよい。この場合、これらの側壁は、該側壁に沿って延びる、放射線入射開口を放射線出射開口との間を結ぶ接続線がほぼ真っ直ぐに延びるように形成されている。前記側壁はこの場合、たとえば切頭ピラミッド形または切頭円錐形もしくは円錐台形の形状を形成する。すなわち、集光器はその場合、１つまたは複数の発光ダイオードチップ（当該発光ダイオードチップに集光器が後置されている）に向かって先細りになる切頭ピラミッド形または切頭円錐形もしくは円錐台形の形状を有している。この構成では集光器が、放射線透過性のプラスチックから成る中実体であると有利である。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、各発光ダイオードチップに正確に１つの光学素子が対応配置されている。光学素子の放射線入射開口はこの場合、有利には発光ダイオードチップの主放射方向で発光ダイオードチップの放射線出力結合面に後置されている。

しかし、複数の発光ダイオードチップを１つの共通の光学素子に対応させることも可能である。このためには、発光ダイオードチップが、たとえば少なくとも１つの直線に沿って配置されていてよい。その場合、光学素子の放射線入射開口は発光ダイオードチップの主放射方向で個々の発光ダイオードチップの放射線出力結合面の全面に後置されている。

少なくとも１つの構成では、光学素子の放射線入射開口が、光学素子に対応配置された発光ダイオードチップの全放射線出力結合面の最大２倍の大きさに形成されている面積を有している。全放射線出力結合面はこの場合、光学素子に対応配置された個々の発光ダイオードチップの放射線出力結合面の面積の総和により与えられている。放射線入射開口の面積は、光学素子に対応配置された発光ダイオードチップの全放射線出力結合面の最大１.５倍、特に有利には最大１.２５倍の大きさに形成されていると有利である。

このように小さな放射線入射開口に基づき、電磁放射線が放出される際の立体角をできるだけ発光ダイオードチップの放射線出力結合面の近くで減少させることが可能になる。放射線出力結合面の近くでは、発光ダイオードチップにより放出されたビームコーンの横断面が特に小さくなる。このことは、最適化されたエタンデュ（Etendue）を有する構成エレメントの構造を可能にする。すなわち、できるだけ高い放射線強度ができるだけ小さな面へ投影されるわけである。エタンデュはこの場合、ジオメトリ的（幾何学的）な光学系の保存量（Erhaltungsgroesse）である。エタンデュは主として１つの光源の面積と、光源が放射線を放射する際の立体角とからの積により形成されている。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、発光ダイオードチップの放射線出力結合面と、光学素子の放射線入射開口との間にギャップ、たとえばエアギャップが配置されている。これにより、特に発散性の放射線が光学素子に入射するのではなく、光学素子への入射前にギャップを通じて、たとえば側方へ進出し得ることが達成されている。これによって、光学素子により放出された放射線の発散を一層低減させることができる。

さらに、ギャップの代わりに、たとえば発光ダイオードチップの放射線出力結合面に後置されている側壁が光学素子の放射線入射開口の近傍では吸収性に形成されているか、または電磁放射線に対して透過性に形成されていることも可能である。このようにしても、発光ダイオードチップから放出された電磁放射線の高発散性の成分が光学素子に進入しなくなることを達成することができる。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、光学素子の放射線出射開口に、主放射方向で付加的な光学素子が後置されている。この付加的な光学素子は、光線屈折型または光線回折型の光学系であると有利である。このような光学系を用いると、付加的な光学素子を通る放射線の発散の一層の低減を達成することができる。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、発光ダイオード装置が発光変換材料（Lumineszenzkonversionsmaterial）を有している。発光変換材料は前記発光ダイオードチップの少なくとも１つの発光ダイオードチップの放射線出力結合面に後置されている。発光ダイオード装置の各発光ダイオードチップの放射線出力結合面にそれぞれ１つの発光変換材料が後置されていると有利である。

発光変換材料は有利には、発光ダイオードチップにより放出された電磁放射線の少なくとも一部を波長変換するために適している。発光ダイオードチップにより放出された電磁放射線がその波長変換された成分と混合して、たとえば白色光線を形成すると有利である。

しかし、発光ダイオードチップにより放出された放射線が発光変換材料によってほぼ完全に波長変換されることも可能である。たとえば、こうして発光ダイオードチップにより放出された非可視スペクトル領域の放射線を可視スペクトル領域の放射線に変換することができる。その場合、発光変換材料中にたとえば２種の蛍光体（Leuchtstoff）を使用することにより、光線混合によってたとえば白色光線を発生させることができる。

波長変換のための適当な蛍光体は、たとえば国際公開第９８／１２７５７号パンフレットに記載されているので、当該蛍光体についての詳しい説明は省略する。

発光変換材料は当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、たとえば発光ダイオードチップを少なくとも部分的に取り囲む放射線透過性の封止用の流込み材料に混加されていてよい。封止用の流込み材料は、たとえばエポキシ材料またはシリコーン材料を含有していてよい。

しかし、発光変換材料は、たとえば薄い層として、個々の発光ダイオードチップの放射線出力結合面に直接に被着されていてもよい。

さらに、発光変換材料が光学素子の少なくとも所定の個所に含まれていることも可能である。すなわち、発光変換材料は、たとえば薄い層として、発光ダイオードチップの放射線出力結合面に後置されている側壁に被着されていてよい。発光変換材料は側壁に均質に分配されていてよい。

また有利には、発光変換材料が前記側壁の規定の個所に被着されていることも可能である。こうして、光学素子を通過する電磁放射線の特に規定された変換が可能となる。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、発光ダイオード装置の熱伝導エレメントに冷却体が被着されている。この冷却体は、特に良熱伝導性の材料から成っていると有利である。冷却体の少なくとも１つの表面が複数の冷却リブによって増大されていると特に有利である。冷却リブは、たとえば冷却体の、熱伝導エレメントとは反対の側の表面に位置している。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、当該発光ダイオード装置が、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を熱伝導エレメントおよび／または冷却体から導出するために適している冷却装置を有している。この冷却装置は、以下に挙げる熱搬送メカニズムのうちの少なくとも１つにより熱を導出するために適していると有利である：自由対流、強制対流、熱伝導。

冷却装置は以下に挙げるエレメントのうちの少なくとも１つを有していると有利である：冷却体、熱伝導性の材料、ヒートパイプ、サーモサイホン、液体循環路、ファン。

冷却装置は、たとえば発光ダイオードチップにより発生させられた熱を、ヒートシンクのように作用する冷却体へ放出するために適している。ヒートシンクは、たとえば自動車のボディまたは自動車ヘッドライトのカバーガラスにより与えられていてよい。しかし、ヒートシンクは発光ダイオード装置のハウジングにより与えられていてもよい。

当該発光ダイオード装置の少なくとも１つの構成では、冷却装置が、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を、該熱が意図的な加熱のために使用される場所へ搬送するために適している。熱が自由対流、強制対流および／または熱伝導によって当該場所へ搬送されると特に有利である。発光ダイオードチップにより放出された熱はこの場合、たとえば除氷または除霜のために使用され得る。当該発光ダイオード装置がたとえば自動車用のヘッドライトで使用される場合、発光ダイオードチップにより放出された熱によってヘッドライトのカバーガラスを加熱することができる。これによって、たとえばヘッドライトからできるだけ迅速に氷または雪を除去することが可能となる。こうして、当該発光ダイオード装置がたとえば外部範囲に設けられた放射器として使用される場合でも、放射器のカバーガラスが着氷雪防止されたままとなることを確保することができる。また、発光ダイオードチップにより放出された熱によってカバーガラスを意図的に加熱することにより、カバーガラスにおける凝水の形成を少なくとも十分に阻止することができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。

実施例および図面中、同一の構成要素または同一作用の構成要素はそれぞれ同じ符号で示されている。図示の構成要素は正確な縮尺通りには描かれていない。それどころか、個々の構成要素は判り易くする目的で誇張して大きく描かれている場合もある。

図１には、発光ダイオード装置の１実施例による発光ダイオードチップ１を備えた光学素子４の概略的な断面図が図示されている。

発光ダイオードチップ１はこの場合、支持体２に被着されている。この支持体２は、たとえば第２の支持体１２または第１の熱伝導エレメント１３（たとえば図４参照）に搭載されていてよい。

発光ダイオードチップ１は、たとえば本明細書の一般的な部分で説明したような薄膜発光ダイオードチップである。

発光ダイオードチップ１には、光学素子４が後置されている。この光学素子４は、たとえば三次元のＣＰＣ式の非結像型の光学的な集光器であってよい。光学素子４はこの場合、放射線入射開口ｂを有しており、発光ダイオードチップ１から放出された電磁放射線３はこの放射線入射開口ｂを通じて入射することができる。電磁放射線３は少なくとも部分的に光学素子４の側壁で反射される。このためには、この側壁が反射性のコーティングを備えていると有利である。電磁放射線３は次いで放射線出射開口５を通じて光学素子４から出射する。

光学素子４の放射線入射開口ｂが発光ダイオードチップ１の放射線出力結合面（Strahlungsauskoppelflaeche）へ近付けられれば近付けられるほど、放射線入射開口ｂはますます小さく形成され得るようになり、そして放射線出射開口５を通って出射する電磁放射線３のビーム密度（エタンデュ；Etendue）はますます高くなる。光学素子４と発光ダイオードチップ１とは一緒になって照明装置１０を形成する。

図１に示した実施例に対して択一的に、複数の発光ダイオードチップを、たとえば１つの直線に沿って支持体２に装着配置し、これらの発光ダイオードチップに１つの共通の光学素子４を対応させることも可能である。

図２には、光学素子４を通過する放射線のビームコーン６が、光学素子４の中心軸線７に対して最大角度θを持って放射線出射開口５から出射することが示されている。光学素子４の長さｌはこの場合、放射線入射開口ｂの所定の幅において前記角度θを決定する。理想的なコンパクトな放物面集光器のためには、たとえば以下の関係が得られる：

たとえばθ＝９゜の最大開き角を達成するためには、光学素子４の長さｌが放射線入射開口ｂの幅の約２３倍の大きさに形成されなければならない。

図３には、ＣＰＣ式の集光器に対して択一的に光学素子４が、たとえば放射線入射開口ｂから放射線出射開口５にまで真っ直ぐな直線で延びる側壁８を有していてよいことが示されている。この場合、光学素子４は、円錐台形または切頭ピラミッド形の基本形状を有する誘電性の材料から成る中実体であってよい。付加的に放射線出射開口５は一種の球面レンズまたは非球面レンズの形で外方へ向かって湾曲させられていてよい。このようなレンズは第２の光学素子９を形成する。この第２の光学素子９は、光学素子４を通過する電磁放射線３の発散をさらに低減させるために適している。

図４には、前記発光ダイオード装置の第１実施例が示されている。この場合、たとえば図１につき説明したような少なくとも１つの照明装置１０が支持体１２に被着されていて、光源１１を形成している。複数の照明装置１０が１つの共通の支持体１２に被着されていると有利である。これらの照明装置１０はこの場合、たとえば光源１１から放射された電磁放射線が、たとえば自動車ヘッドライトのためのドイツ規格ＥＣＥを満たすように支持体１２に配置されている。付加的に光源１１には別の光学素子１８が後置されていてよい。この第２の光学素子１８は、たとえばレンズ状またはリフレクタ状の光学系である。たとえば第２の光学素子１８はプロジェクタ式レンズであり、このプロジェクタ式レンズは特に多数の照明装置１０に後置されていてもよい。

支持体１２の、光源１１とは反対の側の表面は、第１の熱伝導エレメント１３に被着されている。この第１の熱伝導エレメント１３は、たとえば発光ダイオード装置のハウジング１６に組み込まれていてよい。択一的には、光源１１が直接に熱伝導エレメント１３に被着されていてよく、その場合には支持体１２を不要にすることができる。

熱伝導エレメント１３は良熱伝導性の材料、たとえば銅、アルミニウムまたはマグネシウムから成っていると有利である。

当該発光ダイオード装置が自動車で使用される場合には、発光ダイオード装置のハウジング１６が、たとえば自動車ボディの一部により形成されていてよい。

熱伝導エレメント１３の、光源１１とは反対の側の表面には、この実施例では、冷却体１４が被着されている。この冷却体１４はアルミニウムまたは銅のような特に良熱伝導性の材料を含有していると有利である。熱伝導エレメント１３と冷却体１４との間の結合は有利には特に小さな熱抵抗しか有しておらず、たとえばはんだ付け結合により与えられている。冷却体１４は少なくとも熱伝導エレメント１３とは反対の側の表面に複数の冷却リブを有していると有利である。図４に示した実施例では、熱が冷却体１４から自由対流によって第２の冷却体１７へ放出される。この第２の冷却体１７は、たとえば発光ダイオード装置のハウジング１６に結合されていて、ヒートシンクとして機能する。熱はこの場合、空気流１５によって伝達される。この空気流１５は第１の冷却体１４と第２の冷却体１７との間の温度勾配に基づいて自然に形成される。

図５に示したように、さらに発光ダイオード装置のハウジング１６内での空気循環を少なくとも１つのファン１９によって付加的にアシストすることも可能である。

図６に示した発光ダイオード装置の第３実施例では、光源１１により発生させられた熱が、第２の熱伝導エレメント２０によって第１の熱伝導エレメント１３からハウジング１６へ導出される。第２の熱伝導エレメント２０は、たとえば熱伝導性の材料を含有しているフラットリボンケーブルであってよい。

図７に示した第４実施例では、第１の熱伝導エレメント１３が金属製の支持体により形成されている。この支持体は、たとえばアルミニウム、銅またはマグネシウムを含有していてよい。この支持体が、たとえば第２の熱伝導エレメント２０に熱伝導結合されているか、または第１の熱伝導エレメント１３と第２の熱伝導エレメント２０とが互いに一体に形成されている。付加的に、この支持体もしくは第１の熱伝導エレメント１３が、光源１１に後置された付加的な光学系の光学素子１８のための保持装置として機能することも可能である。

図８に示した第５実施例では、熱伝導エレメント１３の、光源１１とは反対の側の表面に液体冷却器２２が被着されている。この液体冷却器２２からは、冷却循環路２１によって、たとえば発光ダイオード装置のハウジング１６へ熱が導出される。

図９には、熱伝導エレメント１３と熱接触されたサーモサイホン２３を用いた発光ダイオード装置の冷却が示されている。サーモサイホン２３は、熱伝導エレメント１３の上方に設置された冷却体へ熱を放出する。この冷却体は、たとえば発光ダイオード装置のハウジング１６により与えられている。

図１０に示した発光ダイオード装置の第７実施例では、熱が熱伝導エレメント１３からヒートパイプ２４によって放出される。ヒートパイプ２４は吸収された熱を、たとえばハウジング１６および／または冷却体１７へ放出する。サーモサイホンに比べてヒートパイプ２４には、熱を任意の方向へ導出することができるという利点がある。サーモサイホンの場合とは異なり、ヒートパイプ２４内での冷却液の搬送は重力に基づいて行われるのではなく、冷却液はたとえば毛管作用によってヒートパイプ２４の内壁に沿って、冷却したい個所にまで案内される。

図１１に示した第８実施例では、光源１１により発生させられた熱が所定の場所へ搬送され、この場所で熱は意図的な加熱のために使用される。図示の実施例では、冷却体１４とファン１９とにより形成された冷却装置によって熱が熱伝導エレメント１３から外側および内側のカバーガラス（Abdeckscheibe）２５ａ，２５ｂへ案内される。カバーガラス２５ａ，２５ｂは、たとえば自動車ヘッドライトのカバーガラスである。この場合、たとえばファン１９によってカバーガラス２５ａ，２５ｂの間で空気流１５が通流案内される。たとえば空気流１５は、この空気流１５からカバーガラス２５ａ，２５ｂへ熱が導出されることにより、カバーガラス２５ａ，２５ｂを除氷する。こうして冷却された空気流１５は次いで冷却体１４の傍らを通って案内され、このときに空気流１５は、発光ダイオードチップから発生させられた熱を吸収することができる。

択一的には図１２に示したように、別の熱源の排熱、たとえば自動車のエンジンルームからの排熱を、ベンチレータまたはファン１９によって両カバーガラス２５ａ，２５ｂの間へ案内することも可能である。付加的に、たとえば上で説明した冷却装置のうちの１つによって発光ダイオード装置の冷却を行うことができる。この場合、別の熱源の排熱ならびに光源１１の排熱をカバーガラス２５ａ，２５ｂの加熱のために使用することも可能である。

図１３には、図１１につき説明した実施例と同様に強制対流を用いて単独のカバーガラス２５ａを加熱することが示されている。この場合、少なくとも１つのファン１９が適当に発光ダイオード装置のハウジング１６に配置されているので、カバーガラス２５ａの傍らにも冷却体１４の傍らにも、空気流１５を案内することができる。この場合、付加的な光学素子１８を加熱することもできる。

図１４に示した発光ダイオード装置の第１１実施例では、熱伝導エレメント１３が金属製の支持体により形成されている。この支持体は以下に挙げる材料のうちの少なくとも１種を含有していてよい：アルミニウム、銅、マグネシウム。熱伝導エレメント１３が、たとえば第２の熱伝導エレメント２０に熱伝導結合されているか、または両熱伝導エレメント１３，２０が単一部分として一体に形成されている。熱伝導エレメント１３は付加的に、光源１１に後置されている光学素子１８のための保持装置として働くことができる。熱伝導エレメント１３，２０は光源１１からカバーガラス２５ａへ熱を導出するために適している。カバーガラス２５ａは熱伝導２６および／または自由対流による空気流１５によって加熱され得る。さらに、図示の実施例は光学素子１８の意図的な加熱をも可能にする。こうして、光学素子１８をも、光源１１から放出された熱によって、たとえば除霜することができる。

図１５には、たとえば少なくとも１つの細い金属製の線材２７から成るカバーガラス加熱装置を用いたカバーガラス２５ａの加熱が示されている。この線材２７は、たとえば電流によって加熱され得る。

さらに、線材２７が熱伝導エレメント１３に熱伝導結合されていることも可能である。その場合、図１６に示したように、光源１１から発生させられた熱は線材２７によって、たとえばカバーガラス２５ａにまで案内される。

図１７に示した発光ダイオード装置の第１４実施例では、カバーガラス２５ａがヒートパイプ２４によって加熱される。さらに、ヒートパイプが熱を、たとえば光学素子１８へ放出することも可能である。

図１８に示した第１５実施例では、たとえば赤外線または紫外線を熱に変換するために適している吸収器２８がカバーガラス２５ａに被着されている。こうして、カバーガラス２５ａを、たとえば光源１１から放出された赤外線または紫外線によって加熱することができる。

図１９に示した発光ダイオード装置の第１６実施例では、光源１１に対して付加的に少なくとも１つの熱源または赤外線源２９が支持体１２に被着されている。この熱源または赤外線源２９は熱をカバーガラス２５ａへ向かって放射する。熱源は、たとえば以下に挙げる構成エレメントのうちの少なくとも１つであってよい：赤外線ＬＥＤ３０、高出力レーザ（High Power Laser）、白熱ランプ、ハロゲンランプ、ガス放電ランプ。熱源が赤外線ＬＥＤ３０である場合、電磁放射線の一部を照明のためにも利用することができる。その場合、たとえば暗視スコープ（Nachsichtgeraet）を使用して、照明され難い対象物および人間を見えるようにすることができる。

上で挙げた全ての実施例では付加的に、光源から放出された光線の主放射方向がカバーガラス２５ａ，２５ｂとは反対の側に向けられるように光源１１が組み付けられていることが可能である。その場合、光源１１は別の光学素子、たとえばリフレクタへ向かって光線を放射し、リフレクタは光源１１の光線をカバーガラス２５ａ，２５ｂへ向かって変向する。

本発明は上で説明した本発明の実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明は自動車用のヘッドライトに限定されるものではなく、考えられ得るあらゆる種類のヘッドライトを包含する。種々異なる実施例につき説明した特徴は、実施例とは無関係に互いに任意に組合せ可能である。本発明はあらゆる新規特徴をも、あらゆる特徴の組合せをも包含する。このことは特に、当該特徴または当該組合せ自体が特許請求の範囲または実施例に明確に記載されていなくとも、特許請求の範囲に記載の特徴のあらゆる組合せを含んでいる。

本発明による発光ダイオード装置の１実施例による発光ダイオードチップを備えた光学素子の概略的な断面図である。 非結像型の集光器の機能形式を説明するための概略図である。 本発明による発光ダイオード装置の１実施例による発光ダイオードチップを備えた光学素子の概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第２実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第３実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第４実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第５実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第６実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第７実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第８実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第９実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１０実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１１実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１２実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１３実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１４実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１５実施例を示す概略的な断面図である。 前記発光ダイオード装置の第１６実施例を示す概略的な断面図である。

符号の説明

１ 発光ダイオードチップ
２ 支持体
３ 電磁放射線
４ 光学素子
５ 放射線出射開口
６ ビームコーン
７ 中心軸線
８ 側壁
９ 光学素子
１０ 照明装置
１１ 光源
１２ 支持体
１３ 熱伝導エレメント
１４ 冷却体
１５ 空気流
１６ ハウジング
１７ 冷却体
１８ 光学素子
１９ ファン
２０ 熱伝導エレメント
２１ 冷却循環路
２２ 液体冷却器
２３ サーモサイホン
２４ ヒートパイプ
２５ａ，２５ｂ カバーガラス
２６ 熱伝導
２７ 線材
２８ 吸収器
２９ 赤外線源
ｂ 放射線入射開口

Claims (17)

1. 発光ダイオード装置において、
   −少なくとも１つの発光ダイオードチップ（１）が設けられており、各発光ダイオードチップ（１）に少なくとも１つの光学素子（４）が対応配置されており、
   −該発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱を導出するために適している少なくとも１つの熱伝導エレメント（１３）が設けられており、
   −該熱伝導エレメント（１３）により導出された熱を吸収するために適している少なくとも１つの冷却装置が設けられている
   ことを特徴とする発光ダイオード装置。
2. 前記発光ダイオードチップ（１）の少なくとも１つが薄膜発光ダイオードチップである、請求項１記載の発光ダイオード装置。
3. 光学素子（４）が、少なくとも部分的に以下の光学素子：ＣＰＣ、ＣＥＣ、ＣＨＣのうちの少なくとも１つの光学素子の形で形成されている、請求項１または２記載の発光ダイオード装置。
4. 光学素子（４）が放射線入射開口（ｂ）を有しており、該放射線入射開口（ｂ）が、光学素子（４）に対応配置された発光ダイオードチップ（１）の全放射線出力結合面の最大２倍の大きさに形成されている面積を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
5. 熱伝導エレメント（１３）に冷却体（１４）が被着されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
6. 冷却装置が、自由対流または強制対流によって熱を導出するために適している、請求項１から５までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
7. 冷却装置が、以下の熱伝導エレメント：熱伝導性の材料（２０）、ヒートパイプ（２４）、サーモサイホン（２３）、液体循環路（２１）のうちの少なくとも１つの熱伝導エレメントにより与えられている、請求項１から６までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
8. 冷却装置が、発光ダイオードチップにより発生させられた熱を、該熱が意図的な加熱のために使用される場所へ搬送するために適している、請求項１から７までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
9. 発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱が除氷のために使用される、請求項１から８までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の発光ダイオード装置を備えた自動車用のヘッドライトにおいて、発光ダイオード装置が自動車用のヘッドライトの光源（１１）として設けられていることを特徴とする自動車用のヘッドライト。
11. 発光ダイオード装置の発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱が冷却装置によって自動車用のヘッドライトのカバーガラス（２５ａ，２５ｂ）へ導出されて、熱が該カバーガラス（２５ａ，２５ｂ）を加熱するために使用されるようになっている、請求項１０記載の自動車用のヘッドライト。
12. 発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱が冷却装置によって自動車用のヘッドライトのカバーガラス（２５ａ，２５ｂ）へ導出されて、熱が該カバーガラス（２５ａ，２５ｂ）の除氷のために使用されるようになっている、請求項１０または１１記載の自動車用のヘッドライト。
13. 発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱が冷却装置によって自動車用のヘッドライトの光学素子（１８）へ導出されて、熱が該光学素子（１８）の加熱のために使用されるようになっている、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の自動車用のヘッドライト。
14. 発光ダイオードチップ（１）により発生させられた熱が冷却装置によって自動車用のヘッドライトの光学素子（１８）へ導出されて、熱が該光学素子（１８）の除氷のために使用されるようになっている、請求項１０から１３までのいずれか１項記載の自動車用のヘッドライト。
15. 冷却装置が、以下のエレメント：冷却体（１４）、ファン（１９）、熱伝導性の材料（２０）、ヒートパイプ（２４）、サーモサイホン（２３）、液体循環路（２１）、線材（２７）のうちの少なくとも１つのエレメントを有している、請求項１０から１４までのいずれか１項記載の自動車用のヘッドライト。
16. 自動車用のヘッドライトのカバーガラス（２５ａ，２５ｂ）に吸収器（２８）が被着されており、該吸収器（２８）が、赤外線または紫外線を熱に変換するために適している、請求項１０から１５までのいずれか１項記載の自動車用のヘッドライト。
17. 当該自動車用のヘッドライトが、発光ダイオードチップ（１）に対して付加的に、自動車用のヘッドライトのカバーガラス（２５ａ，２５ｂ）を照射する赤外線ＬＥＤ（３０）を有している、請求項１０から１６までのいずれか１項記載の自動車用のヘッドライト。

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