JP2006319103A - Cooler for light emitting diode - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光ダイオードの冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for a light emitting diode.
従来の照明装置等の光源として用いられる発光ダイオード(LED)では、高密度実装に伴い、発熱量が増大している。発熱によりLEDが高温になると、LED自身や電極等が破壊される恐れがあるため、これを防ぐために効率的な放熱手段が必要となる。 In a light emitting diode (LED) used as a light source for a conventional lighting device or the like, the amount of heat generation increases with high-density mounting. If the LED becomes high temperature due to heat generation, the LED itself, the electrode, and the like may be destroyed. Therefore, an efficient heat dissipation means is necessary to prevent this.
LEDの発熱を効率的に放熱する手段として、ヒートシンク(放熱板)を用いるものがある(例えば、特許文献1参照)。これは、例えば図6に示すように、発光ダイオードチップ47を形成した基板46を収納したパッケージ41の裏面に放熱板43を密着させたものである。発光ダイオードチップで発生した熱は基板46、パッケージ41を介して放熱板43に伝導し、放熱板43を空冷することで空気中に放出される。
また、放熱板を強制冷却するために、放熱板に空冷ファンを一体に設けたものや、放熱板内に冷媒を循環させるものもある。
In addition, in order to forcibly cool the heat radiating plate, there are one in which an air cooling fan is provided integrally with the heat radiating plate and another in which a refrigerant is circulated in the heat radiating plate.
しかし、上記の方法では、発光ダイオードチップで発生した熱を基板、パッケージを介して放熱板に伝導させるため、冷却効率が基板やパッケージの熱伝導率に制約される。冷却効率が悪いと発光ダイオードチップが高温になり、光出力が不安定になったり発光効率が低下したりするという問題があった。 However, in the above method, the heat generated in the light emitting diode chip is conducted to the heat radiating plate through the substrate and the package, so that the cooling efficiency is restricted by the thermal conductivity of the substrate and the package. If the cooling efficiency is poor, the light emitting diode chip becomes high temperature, and there is a problem that the light output becomes unstable or the light emission efficiency is lowered.
本発明の課題は、発光ダイオードチップを効率よく冷却することで、発光ダイオードチップの光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することである。 An object of the present invention is to stabilize the light output of a light emitting diode chip and prevent a decrease in light emission efficiency by efficiently cooling the light emitting diode chip.
以上の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、例えば図1に示すように、発光ダイオードの冷却装置であって、内部に発光ダイオードチップ(17)が収納されるとともに、前記発光ダイオードチップの周囲に冷却液(19)の流路が形成されたパッケージ(11)と、前記パッケージに接続され前記冷却液を前記パッケージ外に環流させる環流路と、前記環流路に沿って前記冷却液を流動させるポンプ(マイクロポンプ21)と、前記環流路を流動する前記冷却液を冷却する熱交換器(22)とを備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the invention described in claim 1 is a light-emitting diode cooling device as shown in FIG. 1, for example, in which a light-emitting diode chip (17) is housed, and the light emission A package (11) in which a flow path of a cooling liquid (19) is formed around the diode chip, an annular flow path connected to the package for circulating the cooling liquid out of the package, and the cooling along the circular flow path A pump (micropump 21) for flowing the liquid and a heat exchanger (22) for cooling the cooling liquid flowing in the annular flow path are provided.
請求項1に記載の発明によれば、発光ダイオードチップの周囲に冷却液の流路が形成されたパッケージと、パッケージに接続され冷却液をパッケージ外に環流させる環流路と、冷却液を環流路に沿って流動させるポンプと、環流路を流動する冷却液を冷却する熱交換器とを備えるので、通電されることにより高温になる発光ダイオードチップを冷却液により冷却し、温度上昇した冷却液をポンプにより環流路に環流させ、熱交換器により冷却することで、発光ダイオードチップを効率よく冷却することができる。 According to the first aspect of the present invention, a package in which a cooling liquid flow path is formed around the light emitting diode chip, a circular flow path connected to the package for circulating the cooling liquid outside the package, and the cooling liquid in the circular flow path. And a heat exchanger that cools the coolant flowing in the annular flow path, so that the LED chip that becomes hot when energized is cooled by the coolant, and the coolant that has risen in temperature is removed. The light-emitting diode chip can be efficiently cooled by circulating in the annular flow path with a pump and cooling with a heat exchanger.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発光ダイオードの冷却装置において、例えば図3に示すように、前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面に前記環流路を接続したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the light-emitting diode cooling device according to the first aspect, as shown in FIG. 3, for example, the side of the package opposite to the surface from which light emitted from the light-emitting diode chip is emitted The annular flow path is connected to the surface.
請求項2に記載の発明によれば、パッケージの発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面に環流路を接続したので、複数のパッケージの発光面を並べて実装する場合に環流路との接続部がじゃまにならず、隣接するパッケージとの隙間をなくしてLEDの実装密度を高めることができる。 According to the second aspect of the present invention, since the annular flow path is connected to the surface opposite to the surface from which light emitted from the light emitting diode chip of the package is emitted to the outside, the light emitting surfaces of a plurality of packages are mounted side by side. In addition, the connection portion with the annular flow path is not obstructed, and a gap between adjacent packages can be eliminated to increase the LED mounting density.
請求項3に記載の発明は、発光ダイオードの冷却装置であって、例えば図4に示すように、内部に発光ダイオードチップ(17)が収納されたパッケージ(11)と、一端が前記パッケージに接続され、内部に冷媒が封入されたヒートパイプ(31)と、前記ヒートパイプの他端が接続され前記冷媒を冷却する熱交換器(放熱板33)とからなることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is a light-emitting diode cooling device, for example, as shown in FIG. 4, a package (11) in which a light-emitting diode chip (17) is housed, and one end connected to the package. And a heat pipe (31) in which a refrigerant is enclosed, and a heat exchanger (heat radiating plate 33) that is connected to the other end of the heat pipe and cools the refrigerant.
請求項3に記載の発明によれば、パッケージと放熱板とに両端を接続されたヒートパイプ内の冷媒により、パッケージ内の発光ダイオードチップで発生した熱を吸収し、冷媒が吸収した熱を熱交換器まで運んで放熱するため、効率よく放熱することができる。 According to the third aspect of the present invention, the heat generated in the light emitting diode chip in the package is absorbed by the refrigerant in the heat pipe having both ends connected to the package and the heat sink, and the heat absorbed by the refrigerant is heated. Since it is carried to the exchanger to dissipate heat, heat can be dissipated efficiently.
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発光ダイオードの冷却装置において、例えば図5に示すように、前記パッケージ内の前記発光ダイオードチップの周囲に前記冷媒(36)の流路を形成したことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the cooling device for a light emitting diode according to the third aspect, for example, as shown in FIG. 5, the flow path of the coolant (36) is provided around the light emitting diode chip in the package. It is formed.
請求項4に記載の発明によれば、パッケージ内の発光ダイオードチップの周囲にヒートパイプ内の冷媒の流路を形成したので、冷媒が発光ダイオードチップに直接接触するため、発光ダイオードチップをさらに効率よく冷却することができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the flow path of the refrigerant in the heat pipe is formed around the light emitting diode chip in the package, the refrigerant directly contacts the light emitting diode chip. Can cool well.
請求項5に記載の発明は、請求項3または4に記載の発光ダイオードの冷却装置において、前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が放出される面と反対側の面に前記ヒートパイプを接続したことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the light-emitting diode cooling device according to the third or fourth aspect, the heat pipe is connected to a surface of the package opposite to a surface from which light emitted from the light-emitting diode chip is emitted. It is characterized by that.
請求項5に記載の発明によれば、パッケージの発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面にヒートパイプを接続したので、複数のパッケージの発光面を並べて実装する場合にヒートパイプとの接続部がじゃまにならず、隣接するパッケージとの隙間をなくしてLEDの実装密度を高めることができる。 According to the fifth aspect of the present invention, since the heat pipe is connected to the surface opposite to the surface from which light emitted from the light emitting diode chip of the package is emitted to the outside, the light emitting surfaces of a plurality of packages are mounted side by side. In addition, the connection portion with the heat pipe is not obstructed, and a gap between adjacent packages can be eliminated to increase the LED mounting density.
本発明によれば、発光ダイオードチップを効率よく冷却することで、発光ダイオードチップの光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することができる。 According to the present invention, by efficiently cooling the light emitting diode chip, the light output of the light emitting diode chip can be stabilized and the light emission efficiency can be prevented from being lowered.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, although various technically preferable limitations for implementing the present invention are given to the embodiments described below, the scope of the invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
<第1の実施の形態>
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る発光ダイオードの冷却装置の全体構造を示す横断面模式図である。発光ダイオードの冷却装置は、LED10と冷却部20とから構成される。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the overall structure of a light-emitting diode cooling device according to a first embodiment of the present invention. The light emitting diode cooling device includes an
LED10は、パッケージ11と、カバーガラス15と、基板16と、発光ダイオードチップ17と、電源端子18a,18bとから構成されている。パッケージ11は上部に開口を有し、開口はカバーガラス15により閉塞されている。このカバーガラス15の表面がLED10の発光面となる。すなわち、カバーガラス15に閉塞された開口部から発光ダイオードチップ17の発光が放出される。
The
カバーガラス15により閉塞されたパッケージ11の内部空間12には、基板16、発光ダイオードチップ17が収納されるとともに、冷却液19が封入されている。冷却液19としては、発光ダイオードチップ17から放出される波長の光透過性が高く、熱伝導性が高く、かつ電気伝導性が充分低いものが好ましい。このような冷却液19としては、例えばフッ素系オイルやシリコン系オイル等を用いることができる。
A
カバーガラス15と対向するパッケージ11の底部には、パッケージ11を貫通してパッケージ11の裏面に突出した電源端子18a,18bが設けられている。電源端子18a,18bのパッケージ11内側の端部は基板16を介して発光ダイオードチップ17に接続されている。電源端子18a,18bは図示しない外部電源に接続される。
At the bottom of the
パッケージ11の側面には、パッケージ11内に満たされた冷却液19を冷却部20に環流させるための孔13a,13bが設けられており、孔13a,13bには後述する液輸送チューブ24a,24bに接続される継手14a,14bが設けられている。内部空間12及び孔13a,13bは、冷却液19を外部の冷却部20に環流させるための流路となる。
On the side surface of the
基板16は図示しないスペーサ等によりパッケージ11の底部と間隔を空けてパッケージ11内に固定されている。基板16とパッケージ11の底部との間隔を空けることで、冷却液19が基板16の裏面にも接触し、効率的に基板16を冷却することができる。
基板16の表面には発光ダイオードチップ17が設けられており、基板16の裏面には発光ダイオードチップ17に電力を供給する電源端子18a,18bが接続されている。発光ダイオードチップ17はカバーグラスと対向配置されており、発光ダイオードチップ17の発光はカバーガラス15を通過して外部へ放出される。
The
A light
冷却部20は、マイクロポンプ21と、熱交換器22と、両者を接続する配管23と、液輸送チューブ24a,24bと、回転ファン25とから構成される。
マイクロポンプ21は、液輸送チューブ24aを介してパッケージ11の一方の継手14aと接続されている。また、熱交換器22は、液輸送チューブ24bを介してパッケージ11の他方の継手14bと接続されている。そして、マイクロポンプ21と熱交換器22とが配管23により接続され、熱交換器22とパッケージ11との間で冷却液19の環流路が形成されている。マイクロポンプ21は熱交換器22とパッケージ11との間で冷却液19を循環させるポンプであり、環流路を流れる冷却液19の単位時間当たりの流量を定める。
The
The
熱交換器22は、内部を冷却液19が流れる冷却管(図示せず)を備える。冷却管は液輸送チューブ24a,24b、マイクロポンプ21、配管23及びパッケージ11とともに、冷却液19の環流路を形成する。冷却管の外周部には図示しない放熱板が設けられ、冷却液19の熱は冷却管を介して放熱板に伝導する。放熱板は回転ファン25により起こされた風を受けて強制空冷される。
The
次に、冷却部20によるLED10の冷却について説明する。まず、発光ダイオードチップ17に通電して発光させると、発光ダイオードチップ17より熱が発生する。ここで、マイクロポンプ21を駆動すると、発光ダイオードチップ17及び基板16から環流路を流れる冷却液19に熱が伝導し、発光ダイオードチップ17及び基板16が冷却される。温度が上昇した冷却液19は熱交換器22において冷却される。
Next, cooling of the
上記のような冷却部20を用いれば、効率的に発光ダイオードチップ17を冷却することができ、発光ダイオードチップ17の光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することができる。
By using the
なお、環流路の任意の場所に冷却液19の温度を測定する温度計を設け、冷却液19の温度によりマイクロポンプ21の運転を調節して冷却液19の流速を変化させてもよい。
Note that a thermometer for measuring the temperature of the
また、回転ファン25を用いずに放熱板を自然空冷してもよい。また、LED10パッケージ11内を流れる一次冷却液19を冷却する二次冷却液19の環流路及び放熱板を熱交換器22に設け、二次冷却液19により一次冷却液19を冷却してもよい。あるいは、発光ダイオードチップ17の発熱量や冷却液19の温度に応じて、自然空冷、強制空冷、二次冷却液19による冷却のいずれかを選択もしくは併用できるようにしてもよい。
Further, the heat radiating plate may be naturally air-cooled without using the
<変形例1>
図2は第1の実施の形態のLED10の変形例1である。変形例1では、図2に示すように、発光ダイオードチップ17が設けられた基板16をパッケージ11の底部と一体に設けられている。このように、基板16をパッケージ11の底部と一体に設けることで、発光ダイオードチップ17の上面のみを冷却液19により冷却するようにしてもよい。
<Modification 1>
FIG. 2 is a first modification of the
<変形例2>
図3は第1の実施の形態のLED10の変形例2である。変形例2では、図3に示すように、発光ダイオードチップ17が設けられた基板16をパッケージ11の底部と一体に設けられている。また、パッケージ11内に満たされた冷却液19を冷却部20に環流させるための孔13a,13bがパッケージ11の底部に設けられており、液輸送チューブ24a,24bに接続される継手14a,14bが、孔13a,13bの外周部からパッケージ11の裏面に突設されている。このため、パッケージ11の側面には突出するものが何もない状態になっている。
<Modification 2>
FIG. 3 is a second modification of the
このように、パッケージ11の底部に孔13a,13b及び継手14a,14bを設けることで、複数のLED10を並べて実装する場合に隣接するLED10との隙間をなくすことができ、実装密度を高めることができる。
Thus, by providing the
<第2の実施の形態>
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図4は、本発明の第2の実施の形態に係るLED10及び冷却部20の全体構造を示す模式図である。
本実施の形態の冷却部20は、ヒートパイプ31、及び、熱交換器(図示せず)の放熱板33からなる。なお、本実施の形態においては、発光ダイオードチップ17を有する基板16がLED10のパッケージ11の底部と一体に設けられている。また、パッケージ11の底部には、基板16を冷却するヒートパイプ31が一体に設けられている。
<Second Embodiment>
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the overall structure of the
The cooling
ヒートパイプ31は、一端がパッケージ11に接続され、基板16により閉塞されている。ヒートパイプ31内の冷媒32はヒートパイプ31のパッケージ11に接続された一端において基板16の発光ダイオードチップ17が設けられた部分の裏面と接触している。また、他端は熱交換器22(図示せず)の内部の放熱板33に接続されている。ヒートパイプ31は、例えば金属等の熱伝導性が高い素材からなる密閉容器であり、内部に少量の冷媒32が真空封入されている。ここで冷媒32としては、代替フロンや純水等を用いることができる。
One end of the
ヒートパイプ31の内壁面には、ウィックと呼ばれる網目状の構造が設けられている。ウィックは毛細管現象を利用して冷媒32のヒートパイプ31内での熱源への還流の移動速度を向上させている。
The inner wall surface of the
ここで、ヒートパイプ31によるLED10の冷却動作について説明する。液体の冷媒32は、ヒートパイプ31のパッケージ11に接続された一端において、通電された発光ダイオードチップ17から発生した熱を基板16を介して吸収し、蒸発する。気化した冷媒32はヒートパイプ31内を移動し、ヒートパイプ31の放熱板33に接続された一端において凝縮する。
Here, the cooling operation of the
ヒートパイプ31の放熱板33に接続された一端では、気体の冷媒32が凝縮する際の凝縮熱が発生する。凝縮熱は放熱板33により吸収され、空気中に放出される。液化した冷媒32は、ウィックに沿ってヒートパイプ31内を移動し、パッケージ11に接続された一端において再び気化する。これを繰り返すことで、LED10の放熱を効率よく行うことができる。
また、本実施の形態では、第1の実施の形態のマイクロポンプ21のような動力が不要であり、冷却に必要なエネルギーを低減することができる。
At one end connected to the
Moreover, in this Embodiment, the motive power like the
なお、図5に示すように、パッケージ11及び基板16を貫通する複数の孔34a,34bを設け、孔34a,34bとヒートパイプ31とを接続し、パッケージ11の内部空間12及びヒートパイプ31内に冷媒36を封入してもよい。このような冷媒36としては、発光ダイオードチップ17から放出される波長の光透過性が高く、熱伝導性が高く、かつ電気伝導性が充分低いものが好ましい。
As shown in FIG. 5, a plurality of
このような形状のパッケージ11を用いた場合には、内部空間12及び孔34a,34bがヒートパイプ31内の冷媒36の流路となり、流路を流れる冷媒36が発光ダイオードチップ17と直接接触するので、発光ダイオードチップ17から冷媒36に熱が直接伝導し、冷却効率をさらに高めることができる。
When the
なお、以上の実施の形態においては、発光ダイオードについて説明したが、本発明はこれに限らず、レーザーダイオードに本発明を適用してもよい。その他、具体的な細部構造についても適宜変更可能であることはもちろんである。 Although the light emitting diode has been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and the present invention may be applied to a laser diode. In addition, it is needless to say that specific detailed structures can be changed as appropriate.
11 パッケージ
17 発光ダイオードチップ
19 冷却液
21 マイクロポンプ
22 熱交換器
31 ヒートパイプ
32,36 冷媒
33 放熱板
11
Claims (5)
前記パッケージに接続され前記冷却液を前記パッケージ外に環流させる環流路と、
前記環流路に沿って前記冷却液を流動させるポンプと、
前記環流路を流動する前記冷却液を冷却する熱交換器とを備えることを特徴とする発光ダイオードの冷却装置。 A package in which a light emitting diode chip is housed and a flow path for a coolant is formed around the light emitting diode chip;
An annular flow path connected to the package for circulating the coolant out of the package;
A pump for causing the coolant to flow along the annular flow path;
A cooling device for a light emitting diode, comprising: a heat exchanger for cooling the coolant flowing in the annular flow path.
一端が前記パッケージに接続され、内部に冷媒が封入されたヒートパイプと、
前記ヒートパイプの他端が接続され前記冷媒を冷却する熱交換器とからなることを特徴とする発光ダイオードの冷却装置。 A package containing a light emitting diode chip inside;
A heat pipe having one end connected to the package and enclosing a refrigerant therein;
A cooling device for a light emitting diode, comprising: a heat exchanger connected to the other end of the heat pipe to cool the refrigerant.
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