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Led照明装置

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Kazuo Ishibashi
和雄 石橋
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エイテックス株式会社
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    • F21Y2115/10Light-emitting diodes [LED]

Abstract

【課題】高輝度のLEDを複数、搭載しても、放熱効率が高く、長寿命化を図ることのできるLED照明装置を提供する。
【解決手段】複数のLEDおよびその放熱手段を備えた発光部1と、商用電源からLEDに供給する電流を生成する電源部2とを有し、発光部1と電源部2とが、外気対流のための空気流通部3によって熱的に分離されているLED照明装置。発光部1は、中央部に穴11を有し、その穴の周りに基板取付面12を有する環状の放熱ベース10と、基板取付面12に取り付けられ、複数のLEDチップ16を実装したLED基板17とを有し、放熱ベース10の外周及び穴11の内周に放熱手段としての放熱用のフィン13,14が形成されている。空気流通部3により、電源部2からの発熱による熱は発光部1にはほとんど伝達されず、LED照明装置としての性能を左右するLEDの輝度や寿命に関係する発光部の放熱を、設計通りに達成することができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、高輝度のLED(発光ダイオード)を照明装置として使用する際に問題となるLEDの温度上昇を抑制するLED照明装置に関する。

青色LEDおよびそれを用いた白色LEDの製品化が実現したことによって、照明装置の光源として、白熱電球や蛍光灯の代わりにLEDを用いることが研究され、一部商品化もなされている。

LEDにおいては、p型半導体とn型半導体からなるpn接合のLEDチップのダイオードの場合、LEDチップに順方向の電圧を印加すると、p型半導体に流れる電流(正孔)とn型半導体に流れる電子が接合部近辺で衝突して再結合する際に、電子と正孔がもともと持っていたエネルギーよりも小さなエネルギーになる。そのときに生じた余分なエネルギーが光のエネルギーになって発光する。これが、LEDの発光原理である。

この発光の際、全てのエネルギーが光に変換されて放射されるのではなく、一部は熱となって接合部近辺の封止樹脂が発熱し、その熱によって、時間とともに樹脂が劣化する。樹脂が劣化すると、光の透過度が低下し、LEDの寿命が短くなる。

LEDの接合部の温度を放熱するため、従来より、各種の放熱手段が用いられている。特に、近年では高輝度LEDが製品化されてきており、高輝度を維持するためには、放熱手段の使用が必須となっている。また、白色LEDを複数個搭載して、照明装置として使用する場合は、総発熱量も大きくなるので、効率的な放熱手段が必要となる。

従来のLED照明装置としては、例えば特許文献1には、一端に口金が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がるラッパ状金属放熱部と、このラッパ状金属放熱部の開口部に取り付けられた透光性カバーと、前記ラッパ状金属放熱部と前記透光性カバーにより形成された略球体の内部に設けられた金属基板と、この金属基板の前記透光性カバーに対向する外面に実装されたLED素子とを備え、前記略球体の内部に、交流を直流に変換する電源回路が設けられたLED電球が記載されている。

また、特許文献2には、複数個のLEDと、各LEDがそれぞれ実装されたプリント配線板と、各LEDの光がそれぞれ通過する窓穴を有し各LEDの発光部をそれぞれ窓穴へ向けてプリント配線板が収納された器体と、電球の口金と同形状であって電球用のソケットに電気的かつ機械的に接続される接続部と、接続部を通じて電源を供給され各LEDの電源を生成する電源部とを備え、器体の外面には複数の放熱フィンが突設され、各LEDをそれぞれ器体内面に近接配置したLED照明器具が記載されている。

特開2001−243809号公報 特開2006−40727号公報

前掲の特許文献1においては、ラッパ状金属放熱部の表面が外気と触れることにより、LEDからの発熱はラッパ状金属放熱部から外部に放熱される。また、特許文献2においては、器体の外面に形成された放熱フィンが外気と触れることにより、LEDからの発熱は外部に放熱される。
しかしながら、特許文献1および2のいずれも、発熱源であるLEDと、もう一つの発熱部である電源回路ないし電源部が、略球体内部、あるいは器体内部の同じ密閉空間内に設置されている。

LED照明装置を、従来の電球と同様に、100V用のソケットに差し込んで使用する場合、交流100Vを全波整流して直流とし、所定の定電流をLEDに流すための電源部を照明装置に内蔵する必要がある。この電源部はダイオードやトランジスタ、抵抗器を含むため、電源部においても発熱がある。これに加えて、LEDからも発熱する。

前に述べたように、近年では高輝度LEDが製品化されてきており、総発熱量も大きくなるため、高輝度を維持するためには、効率的な放熱手段が必要となる。ところが、LEDからの発熱だけでなく、電源部からの発熱もあると、両方の発熱を放熱するための放熱設計が煩雑となる。放熱が不十分で放熱効率が低いと、LED照明装置としての寿命が短くなる。

そこで本発明は、高輝度のLEDを複数、搭載した構成としても、放熱効率が高く、長寿命化を図ることのできるLED照明装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明の第1の構成のLED照明装置は、複数のLEDおよびその放熱手段を備えた発光部と、商用電源から前記LEDに供給する電流を生成する電源部とを有し、前記発光部と前記電源部とが、外気対流のための空気流通部によって熱的に分離されていることを特徴とする。

この第1の構成においては、発光部と電源部とが、空気流通部を間に設けることにより熱的に分離されているので、電源部からの発熱による熱は発光部にはほとんど伝達されず、LED照明装置としての性能を左右するLEDの輝度や寿命に関係する発光部の放熱を、設計通りに達成することができる。

本発明の第2の構成は、前記発光部は、中央部に穴を有し、その穴の周りに基板取付面を有する環状の放熱ベースと、前記基板取付面に取り付けられ、複数のLEDチップを実装したLED基板とを有し、前記放熱ベースの外周及び前記穴の内周に前記放熱手段としての放熱用のフィンが形成されていることを特徴とする。

この第2の構成において、発光部と放熱手段を前記のように構成することにより、点灯により発熱した複数のLEDチップの接合部ないし封止樹脂部で発生した熱は、放熱ベースの基板取付面から、温度の低い部分に向かって伝導される。すなわち、放熱ベースの表面に形成されたフィンは空気に接触しているので、空気の対流等により冷却される。本発明においては、放熱用のフィンを、基板取付面の外周のみならず、放熱ベースの穴の内周にも設けているので、放熱効率が高くなり、高輝度LEDを複数実装していても、温度上昇を抑制することができる。

この第2の構成において、さらに、放熱ベースの背面に放熱用のフィンを形成すると、LED照明装置をどのような向きに取り付けても、上下方向に向かう空気の対流が放熱ベースの外周、穴の内周、放熱ベースの背面のいずれかのフィンに接触し、放熱効果が向上する。

本発明によれば、複数のLEDおよびその放熱手段を備えた発光部と、商用電源からLEDに供給する電流を生成する電源部とを有し、発光部と電源部とが、外気対流のための空気流通部によって熱的に分離されている構成としたことにより、高輝度のLEDを複数、搭載した構成としても、放熱効率が高く、長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係るLED照明装置を示すもので、(a)はその正面図、(b)はその側面図、図2はその縦断側面図、図3は第1の実施例に係るLED照明装置の放熱ベースを示すもので、(a)はLED基板を取り付けた状態の放熱ベースの平面図、(b)はその背面図、(c)は放熱ベースの一部切欠正面図である。

第1の実施の形態に係るLED照明装置は、LEDおよびその放熱手段を備えた発光部1と、商用電源からLEDに供給する電流を生成する電源部2とからなり、発光部1と電源部2とが、外気対流のための空気流通部3によって熱的に分離されている。発光部1は、図2に示すように、アルミニウム合金からなる放熱ベース10を備え、基本形は、中央部に穴11を有する環状体である。放熱ベース10は、穴11の中心軸と直交する一つの面(正面)に、複数のLEDチップ16を環状に実装したLED基板17を取り付ける基板取付面12を有している。そして、放熱ベース10の外周面と穴11の内周面に、それぞれフィン13,14が、一体に形成されている。放熱ベース10の背面には、空気流通部3を形成するための脚部15が、本例では4個、放射状に設けられている。

放熱ベース10の正面には、LED基板17に搭載された複数個(本例では6個)のLEDチップ16から放射される光を面状に拡散させて放射させる乳白色の透光性カバー18が被せられている。

電源部2は、商用電源(100V)の照明器具のソケットにねじ込むねじ込み形口金21と、このねじ込み形口金21に対して絶縁されている受金22と、ねじ込み形口金21に基端部が接着固定されているプラスチック等の絶縁材料からなるケース23と、ケース23内にねじや接着剤で固定される電源基板24と、ケース23の上部開口を塞ぐとともに放熱ベース10の脚部15が固定される蓋板25を備えている。本例では、脚部15の先端に設けた固定片15aを蓋板25に設けた孔に挿入し、固定片15aの突出した部分を折り曲げるか捻ることにより、放熱ベース10を蓋板25に固定しているが、ねじ止めその他の固定方法で固定してもよい。

ねじ込み形21と受金22には、ケース23の内部においてリード線26,27の基端が半田等で接続されており、先端は電源基板24の端子に接続されている。また、電源基板24に搭載された電気(電子)部品によってAC100Vから直流の定電流に変換された電力は、リード線28により、放熱ベース10の基板取付面12に取り付けられたLED基板17に導かれ、LEDチップ16に所定の電流が供給される。

なお、蓋板25と放熱ベース10には、リード線28を通す穴が設けられている。蓋板25には、ケース23内の空気の放熱のための孔を設けることもできるが、孔を設ける場合、孔の位置や大きさが、感電などの安全基準を満たすように設計する。

以上の第1の実施の形態において、白熱電球と同じ型のソケットにねじ込み形21を差し込むと、ねじ込み形21と受金22から交流100Vの電圧がリード線26,27を通って電源基板24の回路に供給される。この電源基板24に搭載された抵抗器、ダイオード、ツェナーダイオード、トランジスタ等の電気(電子)部品により、所定電圧の直流が生成され、リード線28を通してLED基板17に所定の電流が供給される。

電源基板24に搭載された抵抗器や半導体部品からの発熱は、ケース23内の空気の温度を上昇させるが、ケース23の表面により冷却される。一方、LED基板17に搭載された複数のLEDチップ16の発光時に発生する熱は、放熱ベース10に伝達され、外周のフィン13と、穴11の内周のフィン14と、脚部15から外部に放熱される。フィン13,14および脚部15の表面に接触して加熱された空気は、比重が小さくなって上昇し、温度が低い空気と入れ替わる対流を起こす。このとき、LED照明装置の使用時の向きによっては、フィン13,14に接触した空気の対流を妨げる位置に設けられたフィンは冷却効率が低いが、各フィン13,14,脚部15は異なった位置と方向に設けられているため、いずれかのフィンないし脚部が、冷却効率の向上に寄与することになり、全体として放熱効果が向上することになる。

さらに、電源部2の発熱は、脚部15により発光部1とは分離されており、脚部15の隙間が空気流通部3となるので、電源部2の発熱の影響がなく、放熱ベース10の放熱設計のみを考慮すればよく、設計が容易となる。

図4は本発明の第2の実施の形態に係るLED照明装置を示すもので、(a)はその正面図、(b)はその側面図である。

図4に示すように、第2の実施の形態に係るLED照明装置は、LEDおよびその放熱手段を備えた発光部1と、商用電源からLEDに供給する電流を生成する電源部2とからなり、発光部1と電源部2とが、外気対流のための空気流通部3によって熱的に分離されている。発光部1は、アルミニウム合金からなる放熱ベース30を備え、基本形は、中央部に穴31を有する環状体である。放熱ベース30の外周面と穴31の内周面に、それぞれフィン32,33が、一体に形成されている。放熱ベース30の背面には、空気流通部3を形成するための脚部34が、本例では4個、放射状に設けられている。

電源部2は、商用電源(100V)の照明器具のソケットにねじ込むねじ込み形口金21と、このねじ込み形口金21に対して絶縁されている受金22と、ねじ込み形口金21に基端部が接着固定されているプラスチック等の絶縁材料からなるケース35と、ケース35内にねじや接着剤で固定される電源基板36と、ケース35の上部開口を塞ぐとともに放熱ベース30の脚部34が固定される蓋板37を備えている。

この第2の実施の形態が第1の実施の形態と異なるところは、放熱ベース30の外周のフィン32の向きが、放熱ベース30の穴31の中心軸線に対して垂直方向に複数段形成されていることと、ケース35の形状が2段円筒状になっていることである。フィン32の向きを上記のように形成することにより、LED照明装置を横向きで使用するときに、第1の実施の形態のフィン13の向きよりも、放熱効果が向上する。

その他の構成および作用については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

なお、放熱ベース10の背面には、図5に示すように、多数の棒状の補助フィン19を形成して、さらに放熱特性を向上させることができる。

本発明は、高輝度のLEDを複数搭載しても、放熱効果が高く、長寿命化を図ることのできるLED照明装置として、好適に利用することができる。

本発明の第1の実施の形態に係るLED照明装置を示すもので、(a)はその正面図、(b)はその側面図である。 本発明の第1の実施の形態に係るLED照明装置を示す縦断側面図である。 第1の実施例に係るLED照明装置の放熱ベースを示すもので、(a)はLED基板を取り付けた状態の放熱ベースの平面図、(b)はその背面図、(c)は放熱ベースの一部切欠正面図である。 本発明の第2の実施の形態に係るLED照明装置を示すもので、(a)はその正面図、(b)はその側面図である。 放熱ベースの他の実施の形態を示す斜視図である。

符号の説明

1 発光部
2 電源部
3 空気流通部
10 放熱ベース
11 穴
12 基板取付面
13,14 フィン
15 脚部
15a 固定片
16 LEDチップ
17 LED基板
18 透光性カバー
19 背面フィン
21 ねじ込み形口金
22 受金
23 ケース
24 電源基板
25 蓋板
26,27,28 リード線
30 放熱ベース
31 穴
32,33 フィン
34 脚部
35 ケース
36 電源基板
37 蓋板

Claims (3)

  1. 複数のLEDおよびその放熱手段を備えた発光部と、
    商用電源から前記LEDに供給する電流を生成する電源部とを有し、
    前記発光部と前記電源部とが、外気対流のための空気流通部によって熱的に分離されていること
    を特徴とするLED照明装置。
  2. 前記発光部は、
    中央部に穴を有し、その穴の周りに基板取付面を有する環状の放熱ベースと、
    前記基板取付面に取り付けられ、複数のLEDチップを実装したLED基板とを有し、
    前記放熱ベースの外周及び前記穴の内周に前記放熱手段としての放熱用のフィンが形成されていること
    を特徴とする請求項1記載のLED照明装置。
  3. さらに、放熱ベースの背面に放熱用のフィンが形成されていることを特徴とする請求項2記載のLED照明装置。
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