JP2008309453A - 冷却モジュールとｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】車両に軽微な損傷が発生した場合でも、部品交換なしに性能を維持できる冷却モジュールの提供。
【解決手段】受熱部と、冷却フィンと、これらの間を熱的に接続して設けられたヒートパイプとを有する冷却モジュールであって、受熱部と冷却フィンとの間を、離間した２本以上のヒートパイプで接続してなることを特徴とする冷却モジュール。前記冷却モジュールと、その受熱部に接して設けられたＬＥＤとを有することを特徴とするＬＥＤランプ。
【選択図】図２

Description

本提案は、ヒートパイプを備えた冷却モジュールに関し、特に車両等に装備されるＬＥＤランプの冷却用に好適な冷却モジュールに関する。

一般に、ヒートパイプは既に上市されている工業製品であり、特許文献１に開示されるように、半導体の放熱器（例えば、パソコンのＣＰＵの冷却）として、かなり以前から用いられている。
また、近年、車両用にヒートパイプを導入する技術開発が行われている。例えば、車両用ステアリングホイールを冷却する従来技術として、特許文献２に開示されているようなヒートパイプによる冷却装置が提案されている。さらに、ダッシュパネルを冷却する装置として特許文献３、排気ガスの浄化装置として特許文献４、廃熱の回収装置として特許文献５、排気消音装置として特許文献６などに開示されているように、車両向けにヒートパイプを導入して、当該箇所を冷却する提案が数多く行われている。
さらに、最近では、例えば非特許文献１で紹介されているように、世界初の車両用のＬＥＤヘッドランプが実用化され、そこにヒートパイプが用いられている。
特開昭６０−５７９５６号公報 特開２００５−１４３８号公報 特開２００４−８４９７０号公報 特開２００４−１６７２９３号公報 特開２００５−２６４９１６号公報 特開２００６−２７４８８４号公報 日経産業新聞、２００７年４月１６日、１４頁

車両は、好ましからざることであるが、事故（交通事故、衝突事故）に遭遇する場合がある。そして、車両の損傷が発生し、その程度は、例えば全壊・半壊・軽微という具合に分類される。前記の特許文献２はステアリングホイール、特許文献３はダッシュパネルを冷却する装置であるが、いずれも乗員の近くの場所であり、この箇所が損傷するのは比較的大きな損傷になる可能性が高い。同様に特許文献４〜特許文献６などでは、エンジンの排気系の箇所に取り付けられ、この箇所が損傷することも車両に対して大きな損傷となる可能性が高い。すなわち、前記の公知文献に記載されている当該箇所が損傷することは、速いスピードでの衝突や車両横転などが想定され、車両の全壊もしくは半壊になる可能性が高いと思われる。

一方、前記ＬＥＤヘッドランプの場合は、全壊や半壊となる損傷の場合もあるが、軽微な損傷になる場合が多い。例えば、車庫への入出庫の際に、運転者のミスで車両を柱や壁に擦るなどした場合である。要するに、車両の端部に設置されている部材は、軽微な損傷を受ける可能性がある。
損傷した当該箇所は、必要に応じて修理することになるが、車両使用者としては、修理費が安いことを希望することは自明である。好ましくは交換部品がないことである。
車両用ＬＥＤヘッドランプの実用化が最近ということもあり、従来技術には、軽微な損傷を想定した車両用ＬＥＤヘッドランプの冷却に用いられるヒートパイプについて明示するものはない。

一般に、ヒートパイプは信頼性に優れ、長期使用に耐える工業製品であることが知られている。しかしながら、極まれにパイプ外装にピンホールがあって、初期特性は良いものの、次第に作業液が蒸発して機能が低下する場合がある。また、使用環境によっては熱劣化や錆、腐食等によって機能低下の自体が発生することが知られている。
ヒートパイプの機能低下は、ＬＥＤヘッドランプの冷却が不十分になることを意味する。これはＬＥＤヘッドランプの特性低下、具体的には明るさ（照度）の低下や寿命の低下となり、運転者が十分な視界を確保できなくなり、ひいては事故の発生につながる可能性がある。
従って、車両用ＬＥＤヘッドランプの冷却に使用するヒートパイプは、１本でも性能を発揮する、すなわち、１本でも十分な冷却能力を有すると共に、事故の発生を未然に防止するために複数本を設置することが好ましい。但し、過剰な本数はオーバースペックであり、コストアップになるという問題が発生する。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、車両に軽微な損傷が発生した場合でも、部品交換なしに性能を維持できる冷却モジュールの提供を目的とする。
本発明はＬＥＤランプに適用できるものであり、ＬＥＤヘッドランプに限定するものではない。

前記目的を達成するため、本発明は、受熱部と、冷却フィンと、これらの間を熱的に接続して設けられたヒートパイプとを有する冷却モジュールであって、
受熱部と冷却フィンとの間を、離間した２本以上のヒートパイプで接続してなることを特徴とする冷却モジュールを提供する。

また本発明は、本発明に係る前記冷却モジュールと、その受熱部に接して設けられたＬＥＤとを有することを特徴とするＬＥＤランプを提供する。

以上説明したように、本発明の冷却モジュールは、受熱部と冷却フィンとの間を、離間した２本以上のヒートパイプで接続してなるものなので、軽微な損傷が発生した場合でも、部品交換なしに性能を維持できることが可能である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２は、本発明の冷却モジュールの第１実施形態を示す構成図である。本実施形態の冷却モジュール１１は、受熱板１（受熱部）と、冷却フィン２と、これらの間を熱的に接続している、離間した２本のヒートパイプ３とからなっている。各ヒートパイプ３の端部は、半田付け箇所４において受熱板１に接合されている。

受熱板１は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属からなり、その形状や寸法は限定されず、本実施形態の冷却モジュール１１を適用する車両や機器の種類等に応じて適宜設定し得る。この受熱板１には、ＬＥＤなどの発光素子、ＣＰＵなどの電子機器といった、駆動に際し発熱を伴う素子や機器が実装された配線基板が接合される。あるいは、配線基板自体を受熱板１として用いる構成とすることもできる。

冷却フィン２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属からなり、その形状や寸法、フィン枚数等は限定されず、本実施形態の冷却モジュール１１を適用する車両や機器の種類等に応じて適宜設定し得る。

ヒートパイプ３は、従来周知の各種ヒートパイプ、特に市販されている各種ヒートパイプの中から適宜選択して用いることができる。本実施形態の冷却モジュール１１では、２本のヒートパイプ３を離間した状態で配置している。

本実施形態の冷却モジュール１１は、受熱板１側の熱を、２本のヒートパイプ３を通して冷却フィン２側に効率よく伝熱し、該冷却フィン２で放熱することで、受熱板１の温度を低下させるようになっている。
そして本実施形態の冷却モジュール１１は、受熱部１と冷却フィン２との間を、離間した２本以上のヒートパイプで接続してなるものなので、車両のＬＥＤヘッドランプ用冷却モジュールとして用い、該車両に軽微な損傷が発生した場合でも、部品交換なしに性能を維持できることが可能である。

これに対し、図１に示すように、１本のヒートパイプ３で受熱板１と冷却フィン２とを接続した冷却モジュール１０や、図４に示すように、２本のヒートパイプ３が近接している構造の冷却モジュール１３では、軽微な損傷が発生した場合でも、ヒートパイプ３が破損して、部品交換をしなければ正常に作動しなくなるおそれがある。

図３は、本発明の冷却モジュールの第２実施形態を示す構成図である。本実施形態の冷却モジュール１２は、受熱板１（受熱部）と、冷却フィン２と、これらの間を熱的に接続している、離間した３本のヒートパイプ３とからなっている。
本実施形態の冷却モジュール１２についても、前記第１実施形態の冷却モジュール１１と同様の効果を得ることができる。
以下、実施例により本発明の効果を実証する。

［比較例１］
市販のヒートパイプ（銅製、直径；φ６ｍｍ、長さ；２００ｍｍ）１本と、自作したアルミ製の冷却フィン（長さ；１００ｍｍ、幅；５０ｍｍ、厚さ；０．５ｍｍ、１０ｍｍ間隔で８枚）と、自作した受熱板（アルミ製、長さ；１２０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ；０．５ｍｍ）とを用い、図１に示すように、１本のヒートパイプ３で受熱板１と冷却フィン２とを接続した比較例１のＬＥＤランプ用冷却モジュール１０を作製した。
組み立ては、ヒートパイプを所定の箇所で折り曲げ、受熱板に市販のはんだを用いてはんだ付けし、冷却フィンには圧入によってアンセブリを行った。

［実施例１］
図２に示すように、離間した２本のヒートパイプ３で受熱板１と冷却フィン２とを接続した実施例１のＬＥＤランプ用冷却モジュール１１を作製した。使用したヒートパイプ、受熱板及び冷却フィンは、前記比較例１の場合と同じとした。

［実施例２］
図３に示すように、離間した３本のヒートパイプ３で受熱板１と冷却フィン２とを接続した実施例２のＬＥＤランプ用冷却モジュール１２を作製した。使用したヒートパイプ、受熱板及び冷却フィンは、前記比較例１の場合と同じとした。

［比較例２］
図４に示すように、ヒートパイプ２本を近接状態で接続したこと以外は、実施例１と同じとし、比較例２のＬＥＤランプ用冷却モジュール１３を作製した。

前述した通り作製した実施例１〜２、比較例１〜２の各冷却モジュールについて、以下の試験１〜試験４を実施して性能を比較した。

＜試験１＞
ＪＩＳ Ｃ００４１−０１ 環境試験方法−電気・電子−衝撃試験方法に準拠して、実施例１〜２と比較例１〜２の各冷却モジュールについて、第一科学社製の衝撃試験装置（型番；ＡＳＱ−７００）を用いて落下試験を実施した。但し、落下面に最初に接触する箇所が、受熱板や冷却フィンではなくヒートパイプになるように落下させた。試験数はそれぞれＮ＝１２０。落下高さは８０ｃｍとした。
落下試験前後の各冷却モジュールについて、温水試験を実施した。この温水試験は、５０℃±０．５℃に温調された温浴層に、受熱板を水平にして高さ１ｃｍだけ浸漬させることによってヒートパイプの末端部（蒸発部）に熱を加え、もう一方の端部（凝縮部）の温度が４５℃になるまでの時間を測定するものである。室温は２５℃とした。
そして、落下試験前に比べ、落下試験後での時間が５秒以上遅くなったものを不良と判定し、その本数をカウントした。

＜試験２＞
コマツ産機社製プレス機（商品名；パワープレス、機種名；ＯＢＳ）を用い、試料のヒートパイプ部に３０ｋｇｆの荷重を１秒間印加する衝撃試験を実施した。試料数はそれぞれＮ＝１２０とした。
この衝撃試験前後の試料について、試験１と同様な温水試験を実施し、不良となった本数をカウントした。

＜試験３＞
コマツ産機社製プレス機（商品名；パワープレス、機種名；ＯＢＳ）を用い、試料のヒートパイプ部に１００ｋｇｆの荷重を１秒間印加する衝撃試験を実施した。試験数はそれぞれＮ＝１２０とした。
この衝撃試験前後の試料について、試験１と同様な温水試験を実施し、不良となった本数をカウントした。

試験１〜試験３の結果を表１にまとめて記す。なお、表１中「−」の箇所は対象外を意味する。

＜試験４＞
実施例１〜２と比較例１〜２の各冷却モジュールについて、市販の１０個のＬＥＤ１４を配線基板１５に装着し、配線基板１５と受熱板とをねじ止めによって張り合わせ、図５に示すＬＥＤランプを作製した。
それぞれのＬＥＤランプについて、所定の電気を通電してＬＥＤ１４を点灯させ、基板表面の温度変化を市販の熱電対によって測定した。
また、冷却モジュールを用いずに、単に市販の１０個のＬＥＤを配線基板に装着したものも同様に測定した。室温は２５℃にて実施した。
結果を図６のグラフに示す。

［結果の考察］
表１に示す試験１の結果より、比較例１のみで不良が発生している。落下試験程度の衝撃が加わっただけで特性不良が発生する比較例１の形態は、いわゆる強度不足であり、非常に好ましくないものである。さらに、ヒートパイプが１本しかないので、前述したようにヒートパイプ単体の特性不良が車両の安全性に影響することになる。

表１に示す試験２の結果より、比較例１は、１本のみのヒートパイプで不良が発生しており、不適である。
実施例１は、１本不良のものが発生しているものの、２本とも不良のものは発生していないので、ヒートパイプ１本で特性を維持していくことが可能である。すなわち、これが前述した軽微な損傷に相当するものであり、実施例１では部品交換なしに特性を維持できることになる。
実施例２は、１本不良のものが発生しているものの、２本不良や３本不良のものは発生していないので、ヒートパイプ１本もしくは２本で特性を維持していくことが可能である。すなわち、前述した軽微な損傷であった場合、実施例２では部品交換なしに特性を維持できることになる。
比較例２は、１本不良のものと２本不良のものが発生している。これはヒートパイプが近接して存在しているため、局所的な応力集中などにより不良になったものと想定される。すなわち、ヒートパイプとしての機能を果たさないものであるから、不適である。従って、複数のヒートパイプを用いる場合は、近接させずに一定以上の間隔で離しておくことが望ましい。

表１に示す試験３の結果より、実施例１と比較例１〜２は、すべての試料で機能を果たさなくなっているので不適である。実施例２でも、３本不良が発生しているので不適である。すなわち、これが前述した全壊・半壊に相当するものであり、１００ｋｇｆもの高荷重の衝撃が加わった場合には、修理（部品交換）しない限り、特性を発揮できないこともある。

図６に示す試験４の結果より、ヒートパイプを用いた冷却モジュールを使用しない場合には、基板の表面温度が上昇してしまうことが判明した。一般的なＬＥＤの場合、上昇温度が４０℃を超えるとＬＥＤ性能（例えば、明るさなど）が低下し、５５℃を超えると故障などが発生することが知られている。
従って、ヒートパイプを用いた冷却モジュールを使用しない場合は不適である。そして、ヒートパイプが１本でも機能を発揮できればＬＥＤの冷却としては十分である。さらに、ヒートパイプが２本であっても３本であっても、その能力に差がないことから、ヒートパイプを３本使用するのはオーバースペックであり、コストアップにもつながることから、あまり好ましいものではない。

以上より、車両用ＬＥＤヘッドランプの冷却モジュールとしてヒートパイプを用いる場合には、１本で冷却能力を満足するヒートパイプを少なくとも２本以上使用し、その２本を近接させない配置とすることが有効である。

比較例１で作製した冷却モジュールの構成図である。 実施例１で作製した冷却モジュールの構成図である。 実施例２で作製した冷却モジュールの構成図である。 比較例２で作製した冷却モジュールの構成図である。 試験４で作製したＬＥＤランプの側面図である。 試験４の結果を示すグラフである。

符号の説明

１…受熱板（受熱部）、２…冷却フィン、３…ヒートパイプ、４…はんだ付け箇所、１０〜１３…冷却モジュール、１４…ＬＥＤ、１５…配線基板。

Claims (2)

1. 受熱部と、冷却フィンと、これらの間を熱的に接続して設けられたヒートパイプとを有する冷却モジュールであって、
   受熱部と冷却フィンとの間を、離間した２本以上のヒートパイプで接続してなることを特徴とする冷却モジュール。
2. 請求項１に記載の冷却モジュールと、その受熱部に接して設けられたＬＥＤとを有することを特徴とするＬＥＤランプ。

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