JP2007128728A - Ｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、放熱部材による放熱効果を積極的に高めることにより、放熱効率を向上させるようにして、筐体内の温度上昇を効果的に抑制するようにしたＬＥＤランプを提供することを目的とする。
【解決手段】 前方が開放した筐体１１内で前方に向かって光を照射する少なくとも一つのＬＥＤ素子を有するＬＥＤランプユニット１２と、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズ１３と、上記ＬＥＤランプユニットに対して熱的に接続された放熱部材１４と、上記放熱部材に、自動車の走行時に走行風を導くためのダクト１５と、を含んでいるＬＥＤランプ１０において、上記ダクトの断面積が、上記放熱部材の空気流に対する断面積に近いように選定されていると共に、上記ダクト内の放熱部材上流側に、空気流に乱流を付与する乱流板１６が配置されるように、ＬＥＤランプ１０を構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光源としてＬＥＤ素子を使用したヘッドランプ等の車両用灯具を含むＬＥＤランプに関する。

従来、光源としてＬＥＤ素子を使用したＬＥＤヘッドランプは、例えば図８に示すように構成されている。
即ち、図８において、ＬＥＤヘッドランプ１は、前面が開放した樹脂製の筐体２と、この筐体２内に設けられた複数個のＬＥＤランプユニット３と、筐体２の前面を覆うように筐体２に取り付けられた透光性樹脂材料から成る前面レンズ４と、から構成されている。
上記各ＬＥＤランプユニット３は、それぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を含んでおり、前方に向かって光を出射するように、ランプユニット支持体３ａにより筐体２の内側に支持されている。

このような構成のＬＥＤヘッドランプ１によれば、各ＬＥＤランプユニット３に対して外部から給電することにより、各ＬＥＤランプユニット３のＬＥＤ素子が駆動され、発光する。そして、各ＬＥＤランプユニット３から出射した光が、上記前面レンズ４を介して前方に向かって照射される。

このようなＬＥＤヘッドランプ１においては、個々のＬＥＤ素子の発光に伴って熱が発生する。
これに対して、ＬＥＤ素子は一般的に温度に対して負の特性を有している。即ち、ＬＥＤ素子は、温度が上昇するに従って発光効率が低減することが知られている。
従って、ＬＥＤヘッドランプにおいては、筐体２及び前面レンズ４が熱伝導性の低い樹脂製である場合が多いことから、特に各ＬＥＤ素子の発熱に対する対策が重要である。

例えば、特許文献１においては、筐体内温度を検出して、この筐体内温度に基づいて、ＬＥＤ素子に供給する駆動電流を制御することにより、温度上昇時には各ＬＥＤ素子の発熱量を抑制するようにした、車両用灯具が開示されている。

また、特許文献２には、各ＬＥＤ素子をそれぞれ熱容量の大きな金属製支持部材上に支持して、各ＬＥＤ素子で発生する熱を金属製支持部材に伝導させて、各ＬＥＤ素子の放熱を行なうようにした、車両用前照灯が開示されている。

さらに、特許文献３には、各ＬＥＤ素子をヒートパイプの一端付近に支持すると共に、このヒートパイプの他端を筐体外部に配置することにより、各ＬＥＤ素子で発生する熱をヒートパイプを介して筐体外部に放出するようにした、車両用灯具が開示されている。

さらにまた、特許文献４には、ＬＥＤ素子を含む面光源を、ケース外に突出する放熱フィンを有するヒートシンクに固着すると共に、前方から放熱フィン付近に空気流を導入するための通気口を設けて、上記面光源の各ＬＥＤ素子で発生する熱をヒートシンクから放熱フィンを介して外部に伝導させて、通気口からの空気流により空冷して、各ＬＥＤ素子の放熱を行なうようにした、ＬＥＤランプが開示されている。

また、特許文献５には、半導体発光素子が直接に平板上の放熱基板の上面に固定されており、半導体発光素子で発生する熱を放熱基板を介して外部に伝導させて、半導体発光素子の放熱を行なうようにした、灯具が開示されている。
特開２００４−２７６７３８号 特開２００４−３１１２２４号 特開２００４−１２７７８２号 特開２００５−０６３７５４号 特開２００５−２０９５３５号

ところで、これらの特許文献１から５による技術においては、いずれも各ＬＥＤ素子で発生する熱を筐体内または筐体外に伝導させることによって、筐体内部全体の温度を低下させるように構成されている。
しかしながら、何れの場合にも、放熱部材等を利用して放熱を行なうようになってはいるが、これら放熱部材等の放熱効率を積極的に高めるような対策はとられておらず、放熱効果に限界がある。

さらに、筐体内に熱を伝導させて放熱を行なう場合には、筐体内全体の温度が上昇することになるため、ＬＥＤ素子の発光効率が低下してしまい、場合によってはＬＥＤ素子のジャンクション温度を越えて、温度破壊が発生するおそれもある。
また、筐体外に熱を伝導させて放熱を行なう場合、放熱部材等が筐体を貫通して外部に引き出されることになるため、この引出し部分が雨水や粉塵等に対して曝されることになるので、信頼性が低下してしまうことになる。

本発明は、以上の点から、放熱部材による放熱効果を積極的に高めることにより、放熱効率を向上させるようにして、筐体内の温度上昇を効果的に抑制するようにしたＬＥＤランプを提供することを目的としている。

上記目的は、本発明によれば、前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように配置された少なくとも一つのＬＥＤ素子を有するＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、上記ＬＥＤランプユニットに対して熱的に接続され且つ筐体外に突出する放熱フィンを備えた放熱部材と、上記放熱部材の放熱フィンに、自動車の走行時の走行風を導くためのダクトと、を含んでいるＬＥＤランプにおいて、上記ダクトの断面積が、上記放熱フィンの空気流に対する断面積に近いように選定されていると共に、上記ダクト内の放熱フィン上流側に、空気流に乱流を付与する乱流板が配置されていることを特徴とする、ＬＥＤランプにより、達成される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記乱流板が、上記放熱フィンの根元側に配置されている。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記乱流板が、上記放熱フィンの先端側に配置されている。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記乱流板が、上記放熱フィンに近接して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分以下に選定されている。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記乱流板が、上記放熱フィンからやや離反して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分程度に選定されている。

上記構成によれば、ＬＥＤランプユニットの各ＬＥＤ素子に対して外部から給電することにより、個々のＬＥＤ素子が駆動され、ＬＥＤランプユニットが発光する。そして、ＬＥＤランプユニットから出射した光が、上記前面レンズを介して前方に向かって照射される。

この場合、各ＬＥＤランプユニットのＬＥＤ素子で発生した熱は、上記放熱部材に伝達され、この放熱部材の放熱フィンが、自動車の走行時に上記ダクト内に導入される空気流によって、強制的に空冷されることになる。
その際、上記ダクトの内面と上記放熱フィンの外縁との間の間隔が狭く設定されていることにより、上記ダクト内に導入される空気流が効率良く上記放熱フィンを空冷することになる。

さらに、上記ダクト内にて上記放熱フィンの上流側にて、好ましくは上記放熱フィンの根元側または先端側に、乱流板が配置されていることにより、ダクト内を放熱フィンに向かって流れる層流としての空気流が上記乱流板にぶつかることによって乱流となる。これにより、放熱フィンに対してより多くの空気流が触れることから、空冷がより一層効果的に行なわれ得ることになる。
これにより、各ＬＥＤ素子の温度上昇が抑制され得ることになるので、各ＬＥＤ素子の発光効率が低下するようなことはなく、高輝度の光が前方に向かって照射され得ることになる。

上記乱流板が、上記放熱フィンに近接して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分以下に選定されている場合には、上記乱流板により発生した乱流が、近接している上記放熱フィン全体に導かれ、効率良く空冷を行なうことになる。

上記乱流板が、上記放熱フィンから離反して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分程度に選定されている場合には、上記乱流板によりダクトの中間高さ付近で発生した乱流が、やや離反している上記放熱フィン全体に導かれ、効率良く空冷を行なうことになる。

このようにして、本発明によれば、少なくとも一つのＬＥＤ素子から成るＬＥＤランプ、例えば自動車用ＬＥＤヘッドランプ等の車両用のＬＥＤランプにおいて、各ＬＥＤ素子からＬＥＤランプユニットを介して放熱部材まで熱が移動されると共に、この放熱部材の放熱フィンがダクト内に導入される空気流により強制的に空冷され、さらに上記空気流が上記放熱フィンの上流側に設けられた乱流板により乱流となる。
これにより、上記放熱フィンの周囲にて生じる乱流によって、より多量の空気が上記放熱フィンに接触することになるので吸熱効果が高くなり、上記乱流によって効率的に空冷が行なわれることになる。
従って、上記各ＬＥＤ素子の温度上昇が効率的に抑制され得るので、ＬＥＤ素子の適切な駆動温度が維持でき、ＬＥＤランプユニットの個々のＬＥＤ素子の発光効率の低下が抑制され、より明るい光が照射され得ることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１〜７を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。［実施例１］

図１は、本発明によるＬＥＤランプの一実施形態の構成を示している。
図１において、ＬＥＤランプ１０は、自動車用のＬＥＤヘッドランプであって、前面が開放した樹脂製の筐体１１と、この筐体１１内に設けられた複数個のＬＥＤランプユニット１２と、筐体１１の前面を覆うように筐体１１に取り付けられた透光性樹脂材料から成る前面レンズ１３と、放熱部材１４と、ダクト１５と、乱流板１６と、から構成されている。

各ＬＥＤランプユニット１２は、それぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子（図示せず）を含んでおり、前方に向かって光を出射するように、ランプユニット支持体１２ａにより後述する放熱部材１４に対して支持されている。
ここで、上記ランプユニット支持体１２ａは、ＬＥＤランプユニット１２の放熱を促進するために、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウム等の金属から形成されている。

以上の構成は、図８に示した従来のＬＥＤランプ１と同様の構成であるが、本発明実施形態によるＬＥＤランプ１０においては、さらに放熱部材１４，ダクト１５及び乱流板１６を含んでいる。
ここで、上記放熱部材１４は、上述したランプユニット支持体１２ａと同様に、高熱伝導性材料、例えばアルミニウム等から板状に構成されており、上記筐体１１の開放した後面を閉塞するように、弾性材１４ａを介して筐体１１に対して取り付けられている。

そして、上記放熱部材１４の筐体１１内に露出する前面に対して、上述したＬＥＤランプユニット１２が、ランプユニット支持体１２ａを介して、支持されていると共に、熱的に接続されている。

さらに、上記放熱部材１４は、図１にて後方に突出する放熱フィン１４ｂを備えており、この放熱フィン１４ｂが実際の放熱部材（ヒートシンク）として機能するようになっている。

また、上記ダクト１５は、エンジン熱からの断熱，雨水や粉塵等に対する暴露軽減，走行風の効果的利用，停止時の煙突効果による放熱のために、上記筐体１１の下面及び後面に沿って空気流の通路を画成するように、備えられており、好ましくは断熱材料から構成されている。
その際、上記ダクト１５は、その入口１５ａができるだけ前方に延びるように、また出口１５ｂができるだけ放熱部材１４から遠くなるように、配置されている。
これにより、自動車の走行時に、上記ダクト１５の入口１５ａから空気流が流入し、ダクト１５内に沿って出口１５ｂまで流れるようになっている。

ここで、上記放熱部材１４は、このダクト１５内に配置されるようになっており、その際、ダクト１５は、その断面の高さが、放熱部材１４に対して効率良く空気流を導くように、放熱部材１４の放熱フィン１４ｂの断面の高さに対して、０から２０ｍｍだけ大きく選定されるようになっている。

また、上記乱流板１６は、使用環境に合わせて適宜の材料から構成されており、上記ダクト１５内にて、上記放熱部材１４の上流側にて、放熱部材１４と放熱フィン１４ｂとの結合部分における根元側または放熱フィン１４ｂの先端側（ダクト１５側）に配置されている。
図示の場合には、上記乱流板１６は、上記放熱部材１４の根元側に配置されている。

尚、上記乱流板１６は、上記放熱部材１４の上流側の端部から所定距離Ｄ、例えば０〜１５ｍｍ程度だけ離れて配置されている。
また、上記乱流板１６の高さＨは、上記所定距離に応じて適宜に、例えば上記所定距離Ｄが０ｍｍと放熱部材１４に近接している場合には、ダクト１５の断面高さに対して半分以下、あるいは上記所定距離Ｄが１５ｍｍと放熱部材１４から比較的離反している場合には、ダクト１５の断面高さの半分程度に選定されている。

本発明実施形態によるＬＥＤランプ１０は、以上のように構成されており、各ＬＥＤランプユニット１２に対して外部から給電することにより、各ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子が駆動され、発光する。
そして、各ＬＥＤランプユニット１２から出射した光が、上記前面レンズ１３を介して前方に向かって照射される。

この場合、各ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子で発生した熱は、ランプユニット支持体１２ａを介して放熱部材１４に伝達され、この放熱部材１４の放熱フィン１４ｂに達する。
そして、自動車の走行時には、上記ダクト１５の入口１５ａから上記ダクト１５内に空気流が導入され、この空気流が上記ダクト１５を通って出口１５ｂまで流れる。これにより、上記放熱部材１４は、上記ダクト１５内を流れる空気流によって強制的に空冷されることになる。

その際、上記ダクト１５内を流れる空気流は、所謂層流として流れているが、上記放熱部材１４の上流側に設けられた乱流板１６の存在により、乱流となって、上記放熱部材１４の周囲を流れることになる。
従って、乱流が生じることによる高い吸熱効果によって、上記放熱部材１４がより効率的に空冷されることになる。

このようにして、ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子で発生した熱は、ランプユニット支持体１２ａを介して放熱部材１４に伝達される。そして、放熱部材１４の放熱フィン１４ｂが上記ダクト１５内を流れる空気流により強制的に空冷される。その際、上記ダクト１５内の放熱部材１４の上流側に設けられた乱流板１６によって、上記放熱部材１４の周囲を流れる空気流が乱流となる。これにより、上記放熱部材１４は、吸熱効果の高い乱流によって空冷されることになり、通常の層流の場合と比較して、放熱効果が向上することになる。

このようなＬＥＤランプ１０におけるＬＥＤランプユニット１２，放熱部材１４の放熱フィン１４ｂと周囲温度は、図２のグラフにてそれぞれ符号Ａ，Ｂ，Ｃで示すように変化する。
従って、例えば測定開始から約４０００秒経過後にて、ＬＥＤランプユニット１２の温度Ａが約７０℃であるのに対して、放熱フィン１４ｂの温度Ｂは、約６０℃まで冷却されていることが分かる。

上述した実施形態によるＬＥＤランプ１０の放熱効果を確認するため、以下のように、上記乱流板１６の取付位置を種々に変化させた場合の擬似的な確認実験（実験例１）を行なった。
放熱部材１４の放熱フィン１４ｂに対して断面が＋５ｍｍとなるように、１８０×４０ｍｍの断面を有するダクト１５を設け、実験的にはファンにより０．６ｍ／秒の空気流を流すようにしている。そして、ＬＥＤランプユニット１２への電力投入は、全体で４２Ｗとした。

また、乱流板１６は、高さＨが９ｍｍ及び１８ｍｍのものを用意し、それぞれ取付板を、放熱部材１４の放熱フィン１４ｂの端部からの距離Ｄが０ｍｍ及び１５ｍｍの位置に取り付けた。
そして、温度測定は、ＬＥＤランプユニット１２のパッケージ下面，放熱フィン１４ｂ及び周囲温度について行ない、測定時間を２時間とした。

図３の図表において、条件Ａは、乱流板１６がない場合、条件Ｂ〜Ｅは、乱流板１６が放熱部材１４の放熱フィン１４ｂの先端側に配置されている場合、条件Ｆ〜Ｉは、乱流板１６が放熱部材１４の放熱フィン１４ｂの根元側に配置されている場合を示している。

条件Ｂ〜Ｅは、それぞれ乱流板の高さＨを９ｍｍ及び１８ｍｍとし、それぞれ放熱フィン１４ｂの端部からの距離Ｄを０ｍｍ及び１５ｍｍとした場合である。 また、条件Ｆ〜Ｉも、同様にそれぞれ乱流板の高さＨを９ｍｍ及び１８ｍｍとし、それぞれ放熱フィン１４ｂの端部からの距離Ｄを０ｍｍ及び１５ｍｍとした場合である。

即ち、例えば条件Ｂは、図４に示すように、高さＨが９ｍｍの乱流板１６を放熱フィン１４ｂの先端側にて距離Ｄが０ｍｍの位置に配置した。
また、条件Ｅは、図５に示すように、高さＨが１８ｍｍの乱流板１６を放熱フィン１４ｂの先端側にて距離Ｄが１５ｍｍの位置に配置した。
さらに、条件Ｆは、図６に示すように、高さＨが９ｍｍの乱流板１６を放熱フィン１４ｂの根元側にて距離Ｄが０ｍｍの位置に配置した。
また、条件Ｉは、図７に示すように、高さＨが１８ｍｍの乱流板１６を放熱フィン１４ｂの根元側にて距離Ｄが１５ｍｍの位置に配置した。

これらの条件Ａ〜Ｉにて、測定開始から１時間後の各温度は、図３に示す通りであり、それぞれ放熱フィン１４ｂの温度Ｂから周囲温度Ｃを引いた温度差ΔＴを計算した。
その結果、乱流板１６を取り付けない条件Ａにおいては、温度差ΔＴが２１．４℃であるのに対して、高さＨ＝９ｍｍの乱流板１６を距離Ｄ＝０ｍｍで放熱フィン１４ｂの先端側及び根元側に取り付けた条件Ｂ及び条件Ｆでは、温度差ΔＴが、それぞれ２０．２℃及び２０．９℃と小さくなった。
また、高さＨ＝１８ｍｍの乱流板１６を距離Ｄ＝１５ｍｍで放熱フィン１４ｂの先端側及び根元側に取り付けた条件Ｅ及び条件Ｉでは、温度差ΔＴが、それぞれ２０．６℃及び２１．２℃と小さくなった。

これに対して、高さＨ＝９ｍｍの乱流板１６を距離Ｄ＝１５ｍｍで放熱フィン１４ｂの先端側及び根元側に取り付けた条件Ｃ及び条件Ｇ、そして高さＨ＝１８ｍｍの乱流板１６を距離Ｄ＝０ｍｍで放熱フィン１４ｂの先端側及び根元側に取り付けた条件Ｄ及び条件Ｈでは、温度差ΔＴは、乱流板１６がない場合とほぼ同じであり、場合によっては逆に温度差ΔＴが大きくなってしまう場合もある。

従って、乱流板１６が放熱フィン１４ｂに近接（Ｄ＝０ｍｍ）している場合には、乱流板１６の高さＨを、ダクト１５の断面高さの半分以下にすることが好ましく、また乱流板１６が放熱フィン１４ｂから離反（Ｄ＝１５ｍｍ）している場合には、乱流板１６の高さＨを、ダクト１５の断面高さの半分程度にすることが好ましいことが分かる。

本発明によるＬＥＤランプ１０は、自動車用ＬＥＤヘッドランプとして構成されているが、これに限らず、補助前照灯等を含む他の種類の車両用ＬＥＤランプや、さらには照明用等の各種ＬＥＤランプに本発明を適用することが可能である。

このようにして、本発明によれば、放熱部材による放熱効果を積極的に高めることにより、放熱効率を向上させるようにして、筐体内の温度上昇を効果的に抑制するようにした、極めて優れたＬＥＤランプが提供され得ることになる。

本発明によるＬＥＤランプの一実施形態の構成を示す概略断面図である。 図１のＬＥＤランプによるＬＥＤランプユニット，放熱フィン及び周囲の温度の変化を示すグラフである。 図１のＬＥＤランプにおける実験例の各条件及び各温度及び温度差ΔＴを示す図である。 図３の条件Ｂによる乱流板の配置を示す（Ａ）背面図及び（Ｂ）側面図である。 図３の条件Ｅによる乱流板の配置を示す（Ａ）背面図及び（Ｂ）側面図である。 図３の条件Ｆによる乱流板の配置を示す（Ａ）背面図及び（Ｂ）側面図である。 図３の条件Ｉによる乱流板の配置を示す（Ａ）背面図及び（Ｂ）側面図である。 従来のＬＥＤランプの一例の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤランプ
１１ 筐体
１２ ＬＥＤランプユニット
１２ａ ランプユニット支持体
１３ 前面レンズ
１４ 放熱部材
１４ａ 弾性材
１４ｂ 放熱フィン（ヒートシンク）
１５ ダクト
１６ 乱流板

Claims (5)

1. 前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように配置された少なくとも一つのＬＥＤ素子を有するＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、上記ＬＥＤランプユニットに対して熱的に接続され且つ筐体外に突出する放熱フィンを備えた放熱部材と、上記放熱部材の放熱フィンに自動車の走行時の走行風を導くためのダクトと、を含んでいるＬＥＤランプにおいて、
   上記ダクトの断面積が、上記放熱フィンの空気流に対する断面積に近いように選定されていると共に、
   上記ダクト内の放熱フィン上流側に、空気流に乱流を付与する乱流板が配置されていることを特徴とする、ＬＥＤランプ。
2. 上記乱流板が、上記放熱フィンの根元側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
3. 上記乱流板が、上記放熱フィンの先端側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
4. 上記乱流板が、上記放熱フィンに近接して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分以下に選定されていることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載のＬＥＤランプ。
5. 上記乱流板が、上記放熱フィンから離反して配置されていると共に、その高さが放熱フィンの高さの半分程度に選定されていることを特徴とする、請求項１から３の何れかに記載のＬＥＤランプ。

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