JP2011113639A - 沸騰冷却式ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源ユニットを効率良く且つ均一に冷却して高出力化と小型化を図るとともに、複数のＬＥＤの発光効率及び寿命のバラツキを小さく抑えることができる沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置を提供すること。
【解決手段】ＬＥＤ１１を光源とする光源ユニット３と、該光源ユニット３から受熱する受熱部１５、該受熱部１５で受熱した熱を外気に放熱する放熱部１６及び該放熱部１６と前記受熱部１５間において冷媒を循環させる循環経路を備えた沸騰冷却器５と、該沸騰冷却器５と前記光源ユニット３を収容するハウジング２と、を含んで沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置１を構成する。又、前記沸騰冷却器５の放熱部１６を受熱部１５の上方に配置し、該受熱部１５の冷媒出口と前記放熱部１６の冷媒入口とを直接連通させるとともに、前記放熱部１６の冷媒出口と前記受熱部の冷媒入口とをリターン通路を介して連通する。
【選択図】図８

Description

本発明は、冷媒の相変化によって高い冷却能力を発揮する沸騰冷却方式を採用した沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置に関するものである。

近年、車両用前照灯や屋外照明灯等の照明装置としては、キセノンランプやナトリウムランプ等の大光量ランプを光源とするものから、長寿命で低消費電力のＬＥＤを光源とするものへの置き換えが進んでおり、ＬＥＤを光源とするＬＥＤ照明装置に対しては更なる高出力化が望まれている。

ところで、現在普及しているキセノンランプは２００Ｗ〜２０００Ｗ程度の出力のものが多く、これに代わるＬＥＤ照明装置への投入電力も増加していく傾向にあり、最近では１つのＬＥＤ照明装置への投入電力が２００Ｗを超えるものも開発されてきている。

斯かるＬＥＤ照明装置の大電力化に伴ってＬＥＤ光源ユニットの発熱量も増加するため、温度によって寿命や出力が変化するＬＥＤ光源においては、温度をより低く安定して駆動するための冷却構造が重要な開発課題となっている。

例えば特許文献１には、水冷式のＬＥＤ照明装置が提案されている。この水冷式ＬＥＤ照明装置は、ＬＥＤ光源の熱を液冷によって冷却する方式を採用するものであって、ＬＥＤ光源と該ＬＥＤ光源からの熱を冷媒液に受熱させる水冷ジャケットによって構成される灯体部と、受熱した冷媒液を外部空気に放熱するラジエータとファンによって構成される放熱部と、冷媒液を循環経路内で循環させるポンプを備えている。

このような水冷式ＬＥＤ照明装置によれば、冷媒液が灯体部から受熱した後に放熱部へと流れ、該放熱部において外気に放熱した後に灯体部に戻る循環動作を繰り返すことによって灯体部が冷却されるため、ＬＥＤ光源の高出力化と高寿命化が可能となるとともに、ラジエータによって効率良く放熱されるために放熱部の小型化と軽量化が可能となる。

特開２００９−１２９６４２号公報

ところが、特許文献１において提案された水冷式ＬＥＤ照明装置では、水冷ジャケット内を循環する冷媒液の経路によって、特に冷媒液の入口と出口とで大きな温度差を生じる場合があり、複数のＬＥＤを配列して成るＬＥＤ光源全体の温度が不均一となり、ＬＥＤの発光効率と寿命にバラツキが生じるという問題が発生する可能性がある。この場合の温度差は、水冷ジャケットの受熱量と受熱面積が大きいほど大きくなる傾向にある。

又、ポンプによって冷媒液が循環経路を循環するため、何らかの原因でポンプが停止した場合には冷媒液の循環も停止し、水冷ジャケットが断熱状態となって深刻な故障に繋がる可能性がある。

更に、灯体部と放熱部とがブチルゴム等から成るゴムホースによって連結されているため、ゴムホースから冷媒液が蒸発し、その蒸発量を補うためのリザーブタンクを循環経路内に設ける必要がある。このリザーブタンクのサイズは、メンテナンス間隔によっても異なるが、メンテナンス間隔を長くするには大きなサイズのリザーブタンクが必要になり、ＬＥＤ照明装置が大型化及び高重量化するという問題が発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、光源ユニットを効率良く且つ均一に冷却して高出力化と小型化を図るとともに、複数のＬＥＤの発光効率及び寿命のバラツキを小さく抑えることができる沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
ＬＥＤを光源とする光源ユニットと、
該光源ユニットから受熱する受熱部、該受熱部で受熱した熱を外気に放熱する放熱部及び該放熱部と前記受熱部間において冷媒を循環させる循環経路を備えた沸騰冷却器と、
該沸騰冷却器と前記光源ユニットを収容するハウジングと、
を含んで沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置を構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記沸騰冷却器の放熱部を受熱部の上方に配置し、該受熱部の冷媒出口と前記放熱部の冷媒入口とを直接連通させるとともに、前記放熱部の冷媒出口と前記受熱部の冷媒入口とをリターン通路を介して連通させたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記沸騰冷却器の放熱部をその冷媒出口が冷媒入口よりも下方に位置するよう傾斜させて配置したことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記ハウジング内に吸引した外気を少なくとも前記沸騰冷却器の放熱部を通過させてハウジング外へ排出するファンを設けたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記光源ユニットの各ＬＥＤを駆動制御するＬＥＤ駆動回路を設け、該ＬＥＤ駆動回路と前記光源ユニットを前記沸騰冷却器の受熱部の両面に配置したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、沸騰冷却器における温度差による通常の熱伝導による受熱に加えて、沸騰（蒸発）と凝縮の相変化を繰り返しながら循環経路を循環する冷媒が受熱部において沸騰するときの蒸発潜熱によって光源ユニットの熱が冷媒によって受熱されるため、光源ユニットが効率良く且つ均一に冷却され、当該ＬＥＤ照明装置の高出力化を図ることができるとともに、光源ユニットを構成する各ＬＥＤの発光効率及び寿命のバラツキを小さく抑えることができる。

請求項２記載の発明によれば、沸騰冷却器の放熱部を受熱部の上方に配置し、該受熱部の冷媒入口と放熱部の冷媒出口とを直接連通させるとともに、放熱部の冷媒出口と受熱部の冷媒入口とをリターン通路を介して連通させたため、受熱部において光源ユニットから受熱して沸騰（気化）した冷媒の気泡が浮力で上昇する気泡ポンプ効果によって液冷媒が放熱部へと押し出される。このため、可動式のポンプを設けなくても冷媒は循環経路を循環して相変化を繰り返すこととなり、ポンプが不要となった分だけＬＥＤ照明装置の小型化とコストダウンを図ることができるとともに、ポンプの故障による冷媒の循環停止が防がれ、光源ユニットの過熱等の不具合が発生することがない。

又、沸騰冷却器の受熱部と放熱部を従来のようにゴムホースで連結する必要がないため、冷媒が蒸発することがなく、冷媒の蒸発量を補うためのリザーブタンクが不要となってＬＥＤ照明装置の小型化とコストダウンを図ることができるとともに、冷媒の補充等のメンテナンスが不要となる。

請求項３記載の発明によれば、沸騰冷却器の放熱部をその冷媒出口が冷媒入口よりも下方に位置するよう傾斜させて配置したため、放熱部での放熱によって凝縮した液冷媒が重力によって放熱部の傾斜に沿って冷媒出口に向かって効率良く流れ、冷媒出口からリターン通路へと流れ込んで受熱部へと送り込まれる。このため、受熱部での冷媒の沸騰による気泡ポンプ効果と相俟って循環経路に冷媒の循環流が効果的に発生する。

請求項４記載の発明によれば、ハウジング内に吸引した外気によって沸騰冷却器の放熱部での放熱が促進されるため、受熱部での沸騰によって気化した冷媒を効率良く凝縮（液化）させることができる。又、ファンによってハウジング内に導入された外気によって光源ユニットも強制空冷すれば、沸騰冷却器による冷却とファンによる強制空冷とのハイブリッド冷却方式によって光源ユニットを一層効率良く冷却することができる。

請求項５記載の発明によれば、光源ユニットとＬＥＤ駆動回路を沸騰冷却器の受熱部の両面に配置したため、これらの光源ユニットとＬＥＤ駆動回路が受熱部において効率良く冷却されてその温度上昇が低く抑えられる。

本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の正面側斜視図である。 本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の正面側斜視図である。 本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の背面側斜視図である。 本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置のハウジングを取り外した状態の正面側斜視図である。 本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置のハウジングを取り外した状態の背面側斜視図である。 本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の正面図である。 図６のＡ−Ａ線断面図である。 図６のＢ−Ｂ線断面図である。 図８のＣ−Ｃ線断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１及び図２は本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の正面側斜視図、図３は同沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の背面側斜視図、図４は同沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置のハウジングを取り外した状態の正面側斜視図、図５は同沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置のハウジングを取り外した状態の背面側斜視図、図６は同沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置の正面図、図７は図６のＡ−Ａ線断面図、図８は図６のＢ−Ｂ線断面図、図９は図８のＣ−Ｃ線断面図である。

本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置１は、図７及び図８に示すように、矩形ボックス状のハウジング２の内部に光源ユニット３、ＬＥＤ駆動回路４、沸騰冷却器５及びファン６を組み込んで構成されている。

上記ハウジング２は、ＰＣ等の樹脂或いはアルミニウム等の金属で構成されており、図１〜図３に示すように、その上端には沸騰冷却器５の後述の放熱部１６（図４及び図５参照）とファン６を収納するための膨出部２Ａが前面側に突出する状態で一体に形成されており、その下方の前面２ａには前記光源ユニット３の前方を覆う矩形のレンズ７が嵌め込まれている。そして、図２に示すように、ハウジング２の前記膨出部２Ａとその下方の前面２ａとを繋ぐ斜面２ｂにはルーバー状の３つの吸気口８が形成されている。

又、図１に示すように、ハウジング２の上面には幅方向に長い２つの排気口９が前後に形成されており、図３に示すように、ハウジング２の背面２ｃの下半部にはルーバー状の計６つの吸気口１０が横２列、上下３段に亘って形成されている。

前記光源ユニット３は、図４に示すように、光源である複数のＬＥＤ１１をＬＥＤ基板１２上にマトリックス状に実装して構成されており、図７及び図８に示すように、ハウジング２内の前面側下半部に垂直に起立した状態で収納されている。

又、前記ＬＥＤ駆動回路４は、図５に示すように、回路基板上に複数の各種電子部品１４を実装して構成されており、図８に示すように、ハウジング２内の下半部において前記沸騰冷却器５の一部を構成する後述の受熱部１５を挟んで前記光源ユニット３が配された側とは反対の背面側に垂直に起立して状態で収納されている。

前記沸騰冷却器５は、図７〜図９に示すように、エバポレータとしての受熱部１５と、該受熱部１５の上方に配されたコンデンサとしての放熱部１６と、該放熱部１６と前記受熱部１５間において冷媒を循環させる循環経路を含んで構成されており、循環経路は受熱部１５内の通路と放熱部１６内の通路及び受熱部１５の横に上下方向に一体に形成されたリターン通路１７によって構成されている。

上記放熱部１６は、ジャケット構造を有する偏平な矩形の中空プレートによって構成されており、その内部には冷媒が収容されている。尚、冷媒としては代替フロンであるフルオロカーボンやフルオロケトン、代替フロン以外の一般的なエチレングリコールやプロピレングリコール等が使用され、沸騰冷却器５の製造時（冷媒の充填時）に内圧を調整することによって該冷媒の沸点がコントロールされる。

而して、受熱部１５は、図８に示すようにハウジング２内の下半部に垂直に起立した状態で収納されるが、その前面には前記光源ユニット３が密着した状態で配置され、背面には前記ＬＥＤ駆動回路４が密着した状態で配置されている。即ち、受熱部１５は、光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４によって挟持された状態で両者の間に配置されている。

又、前記放熱部１６は、多数の冷却フィンを有してラジエータ構造として幅方向に長く形成されており、これは図７及び図８に示すようにハウジング２の上端部に形成された膨出部２Ａ内に収容されている。ここで、該放熱部１６と前記受熱部１５は、共に軽量で熱伝達率の高いアルミニウム材で構成されており、両者はロウ付けによって接合一体化されている。又、沸騰冷却器の５内部は冷媒によってほぼ満たされている。

ところで、図９に示すように、沸騰冷却器５においては、受熱部１５の上部に開口する冷媒出口１５ａと放熱部１６の下部に開口する冷媒入口１６ａとは直接連通しており、放熱部１６の冷媒入口１６ａとは反対側に開口する冷媒出口１６ｂと受熱部１５の下部に開口する冷媒入口１５ｂとはリターン通路１７を介して互いに連通しており、これによって冷媒の循環経路が構成されている。そして、本実施の形態では、図４に示すように、放熱部１６の一部（前側部分）は、その冷媒出口１６ｂが冷媒入口１６ａ（図９参照）よりも下方に位置するように（リターン通路１７に向かって下がるように）図示の角度θだけ水平に対して傾斜して配置されている。

前記ファン６は、図４、図５、図７及び図８に示すように、沸騰冷却器５の受熱部１５を挟んでこれの両側であって、上下方向において光源ユニット３と放熱部１６との間及びＬＥＤ駆動回路４と放熱部１６との間に各３基ずつ幅方向（横方向）に並設されている。尚、図２．図３及び図７に示すように、ハウジング２の下面からはＬＥＤ駆動回路４から延びる電源コード１８が導出している。

而して、以上のように構成された沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置１が起動されて光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４及びファン６に電源が供給されると、光源ユニット３の複数のＬＥＤ１１が発光し、その光はレンズ７を透過して正面前方に向かって照射されることによって前方を照明するが、光源ユニット３の点灯制御はＬＥＤ駆動回路４によってなされ、駆動中において光源ユニット３のＬＥＤ１１及びＬＥＤ駆動回路４の各種電子部品１４が発熱し、そのままでは光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４及びこれらを収容するハウジング２が過熱されてそれらの温度が上昇する。

然るに、本実施の形態では、沸騰冷却器５によって光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４が強制冷却されてその温度上昇が抑えられるとともに、ファン６によってハウジング２の吸気口８，１０からハウジング２内に導入される外気によってハウジング２及びＬＥＤ駆動回路４が強制空冷されてその温度上昇が抑えられる。

即ち、沸騰冷却器５の受熱部１５においては、光源ユニット３及びＬＥＤ駆動回路４と冷媒との温度差による通常の熱伝導に加えて、冷媒が沸騰（蒸発）して気化するときの蒸発潜熱が光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４から奪われるため、これらの光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４が効率良く冷却される。

そして、沸騰冷却器５の受熱部１５において沸騰して気化した冷媒は、図９に矢印にて示すように、気泡となって上昇し、気泡ポンプ効果によって受熱部１５内の液冷媒を放熱部１６へと押し出すため、循環経路には図９に矢印にて示す方向の冷媒の循環流が発生する。

而して、沸騰によって気化したガス冷媒は、放熱部１６において外気に熱を放出することによって凝縮して液化するが、放熱部１６での冷媒からの放熱は、放熱部１６を通過する外気によって促進される。即ち、ハウジング２内で回転するファン６によって外気が図８に矢印にて示すようにハウジング２の吸気口８，１０からハウジング２内に吸引され、この吸引された外気は、その一部（吸気口１０から吸引された外気）がハウジング２とＬＥＤ駆動回路４を冷却しながら上昇し、放熱部１６を通過してハウジング２の排気口９から外部に排出され、他の外気（吸気口８から吸引された外気）はそのまま放熱部１６を通過してハウジング２の排気口９から排出されるため、放熱部１６を通過する外気によって放熱部１６での冷媒からの放熱が促進される。

放熱部１６において凝縮して液化した冷媒は、気泡ポンプ効果に加えて、重力によって放熱部１６の傾斜に沿って冷媒出口１６ｂに向かって流れ、冷媒出口１６ｂからリターン通路１７へと流れ込んで受熱部１５へと送り込まれる。

以後、同様の作用が繰り返され、冷媒は沸騰と凝縮の相変化を繰り返しながら循環経路を循環し、受熱部１５での沸騰に伴う蒸発潜熱を光源ユニット３とＬＲＤ駆動回路４から奪うことによってこれらを効率良く冷却する。

以上のように、本実施の形態では、沸騰冷却器５における温度差による通常の熱伝導による受熱に加えて、沸騰（蒸発）と凝縮の相変化を繰り返しながら循環経路を循環する冷媒が受熱部１５において沸騰するときの蒸発潜熱によって光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４の熱が冷媒によって受熱されるため、光源ユニット４とＬＲＤ駆動回路４が効率良く且つ均一に冷却され、当該ＬＥＤ照明装置１の高出力化を図ることができるとともに、光源ユニット３を構成する各ＬＥＤ１１の発光効率及び寿命のバラツキを小さく抑えることができる。特に、本実施の形態では、光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４を沸騰冷却器５の受熱部１５の両面に配置したため、これらの光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路４が受熱部１５において効率良く冷却されてその温度上昇が低く抑えられ、これらの耐久性が高められる。

特許文献１において提案されたような水冷式ＬＥＤ照明装置において複数のＬＥＤの温度差を５℃以内に抑えることを考えた場合、受熱エリア１５ｃｍ×１５ｃｍ程度の受熱面サイズで２００Ｗの受熱が限界であったのに対して、本発明に係る沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置１において実験した結果によれば、３０ｃｍ×３０ｃｍ程度の受熱面サイズで１０００Ｗの受熱をさせた場合であっても、ＬＥＤの温度差が２℃程度に留まり、従来の水冷式ＬＥＤ照明装置に比べて受熱面の温度の均一化が図られることが確認された。

又、本実施の形態では、沸騰冷却器５の放熱部１６を受熱部１５の上方に配置し、該受熱部１５の冷媒出口１５ａと放熱部１６の冷媒入口１６ａとを直接連通させるとともに、放熱部１６の冷媒出口１６ｂと受熱１５部の冷媒入口１５ｂとをリターン通路１７を介して連通させたため、受熱部１５において光源ユニット３とＬＥＤ駆動回路か４ら受熱して沸騰（気化）した冷媒の気泡が浮力で上昇する気泡ポンプ効果によって液冷媒が放熱部１６へと押し出される。このため、可動式のポンプを設けなくても冷媒は循環経路を循環して相変化を繰り返すこととなり、ポンプが不要となった分だけＬＥＤ照明装置１の小型化とコストダウンを図ることができるとともに、ポンプの故障による冷媒の循環停止が防がれ、光源ユニット３やＬＥＤ駆動回路４の過熱等の不具合が発生することがない。

そして、沸騰冷却器５の受熱部１５と放熱部１６を従来のようにゴムホースで連結する必要がないため、冷媒が蒸発することがなく、冷媒の蒸発量を補うためのリザーブタンクが不要となってＬＥＤ照明装置１の小型化とコストダウンを図ることができるとともに、冷媒の補充等のメンテナンスが不要となる。

更に、本実施の形態では、沸騰冷却器５の放熱部１６をその冷媒出口１６ｂが冷媒入口１６ａよりも下方に位置するよう傾斜させて配置したため、放熱部１６での放熱によって凝縮した液冷媒が重力によって放熱部１６の傾斜に沿って冷媒出口１６ｂに向かって効率良く流れ、冷媒出口１６ｂからリターン通路１７へと流れ込んで受熱部１５へと送り込まれる。このため、受熱部１５での冷媒の沸騰による気泡ポンプ効果と相俟って循環経路に冷媒の循環流が効果的に発生する。

又、本実施に形態では、ハウジング２内に吸引した外気によって沸騰冷却器５の放熱部１６での放熱が促進されるため、受熱部１５での沸騰によって気化した冷媒を効率良く凝縮（液化）させることができる。又、ファン６によってハウジング２内に導入された外気によってＬＥＤ駆動回路４が強制空冷されるため、沸騰冷却器５による冷却とファン６による強制空冷とのハイブリッド冷却方式によってＬＥＤ駆動回路４を一層効率良く冷却することができる。

尚、以上の実施の形態では、ＬＥＤ駆動回路４のみを外気によって強制空冷するようにしたが、光源ユニット３も同時に外気によって強制空冷する方式を採用すれば、沸騰冷却器５による冷却とファン６による強制空冷とのハイブリッド冷却方式によって光源ユニット３を一層効率良く冷却することができる。

１ 沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置
２ ハウジング
２Ａ ハウジングの膨出部
２ａ ハウジングの前面
２ｂ ハウジングの斜面
２ｃ ハウジングの背面
３ 光源ユニット
４ ＬＥＤ駆動回路
５ 沸騰冷却器
６ ファン
７ レンズ
８ ハウジングの吸気口
９ ハウジングの排気口
１０ ハウジングの吸気口
１１ ＬＥＤ
１２ ＬＥＤ基板
１３ 回路基板
１４ 電子部品
１５ 沸騰冷却器の受熱部
１５ａ 受熱部の冷媒出口
１５ｂ 受熱部の冷媒入口
１６ 沸騰冷却器の放熱部
１６ａ 放熱部の冷媒入口
１６ｂ 放熱部の冷媒出口
１７ リターン通路
１８ 電源コード

Claims (5)

1. ＬＥＤを光源とする光源ユニットと、
   該光源ユニットから受熱する受熱部、該受熱部で受熱した熱を外気に放熱する放熱部及び該放熱部と前記受熱部間において冷媒を循環させる循環経路を備えた沸騰冷却器と、
   該沸騰冷却器と前記光源ユニットを収容するハウジングと、
   を含んで構成されることを特徴とする沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置。
2. 前記沸騰冷却器の放熱部を受熱部の上方に配置し、該受熱部の冷媒出口と前記放熱部の冷媒入口とを直接連通させるとともに、前記放熱部の冷媒出口と前記受熱部の冷媒入口とをリターン通路を介して連通させたことを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置。
3. 前記沸騰冷却器の放熱部をその冷媒出口が冷媒入口よりも下方に位置するよう傾斜させて配置したことを特徴とする請求項２記載の沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置。
4. 前記ハウジング内に吸引した外気を少なくとも前記沸騰冷却器の放熱部を通過させてハウジング外へ排出するファンを設けたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置。
5. 前記光源ユニットの各ＬＥＤを駆動制御するＬＥＤ駆動回路を設け、該ＬＥＤ駆動回路と前記光源ユニットを前記沸騰冷却器の受熱部の両面に配置したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の沸騰冷却式ＬＥＤ照明装置。
   
   

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