JP2011165509A

JP2011165509A - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP2011165509A
Application number: JP2010027890A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yoshida; 田均吉; Takahiro Hosoda; 田隆広細
Original assignee: Moritex Corp
Current assignee: Moritex Corp
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2011-08-25

Abstract

【課題】
放熱ブロックを均等に強制冷却させることにより、放熱ブロックの一端側から他端側へ傾斜する温度勾配が形成されることなく均一な温度分布に維持されるように冷却し、熱の影響によるＬＥＤの輝度ムラをなくす。
【解決手段】
ＬＥＤ（３…）がライン状に配列されるＬＥＤ装着基板（４）を搭載した放熱ブロック（１０）に、ＬＥＤ列に沿って少なくとも第一及び第二冷媒流路（Ｆ１、Ｆ２）が並行に形成され、第一冷媒流路（Ｆ１）を介して放熱ブロック（１０）の一端側（１０Ａ）から他端側（１０Ｂ）へ冷媒を流す第一冷媒供給系（Ｓ１）と、第二冷媒流路（Ｆ２）を介して放熱ブロック（１０）の他端側（１０Ｂ）から一端側（１０Ａ）へ第一冷媒流路（Ｆ１）の流れとは反対方向に冷媒を流す第二冷媒供給系（Ｓ２）を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードＬＥＤ（以下「ＬＥＤ」と略す。）がライン状に配列されてなるＬＥＤ照明装置に関する。

近年、ＬＥＤの高輝度化が進んでいるが、それでも個々のＬＥＤの明るさには限界があるため、検査用照明光源や一般用照明光源として使用する場合は、多数のＬＥＤを任意のパターンに配したＬＥＤ照明装置が用いられている。
特に、検査用照明光源として用いる場合、検査対象物の幅に応じた線状の光が必要となることから、ＬＥＤを１列又は複数列に配したＬＥＤ照明装置が用いられている。

すなわち、大光量を得るためには、高輝度タイプのＬＥＤを多数使用しなければならないが、ＬＥＤを点灯したときの発熱量も大きくなる。
この場合に、ＬＥＤは光量の温度依存性があるため、点灯時間中、光量を一定に維持しようとすれば、発熱を抑えて温度も一定に維持しなければならない。
このため、従来は、ＬＥＤを装着した基板底面側に放熱ブロックを当接させて自然空冷させているが、それでも足りない場合は、ファンなどにより強制空冷するものが提案されている（特許文献１参照）。

図８はこのような従来の強制空冷型のＬＥＤ照明装置３１を示し、１列のライン状ＬＥＤアレイ３２を形成するように複数のＬＥＤ３３…が配列されると共に、各ＬＥＤ３３が装着されたＬＥＤ装着基板３４を介して伝わるＬＥＤの熱をその底面側に当接された放熱ブロック３５で放熱するようになっている。
放熱ブロック３５には、ライン状ＬＥＤアレイ３２のＬＥＤ列に沿って三本の冷媒流路３６が形成され、当該冷媒流路３６の一端側には、例えば、軸方向に吸い込んだ空気を遠心方向に吐き出す送風機３７が取り付けられ、その吐出口が冷媒流路３６の一端側の流入口３６inに連通するように取り付けられている。

これにより、送風機３７を回転させると、その上方から軸方向に吸い込まれた空気は、遠心方向に吐き出され、流入口３６inから各冷媒流路３６に流入され、流出口３６outから排出される。
したがって、ＬＥＤ３３から放熱ブロック３５に伝わった熱は、冷媒流路３６を流れる空気に奪われ外部へ排熱されることとなる。

しかしながら、発明者の実験によれば、このように強制冷却した場合、個々のＬＥＤ３３の温度は点灯時間中一定に維持されるが、ＬＥＤ列に沿って温度を測定すると、冷媒流路３６の流出口側３６out側の温度が高く、流入口３６in側の温度が低い温度勾配が形成されることが判明した（図４（ａ）、線Ｌ２参照）。
例えば、長さ３０ｃｍの放熱ブロックを用いた実験では、流入口３６in側の温度が５６℃であるのに対し、流出口側３６out側の温度が約８０℃にも達した。
この場合、各ＬＥＤ３３…のの輝度分布は、流入口３６in側に配されたものの方が明るく、流出口３６out側に配されたものの方が暗くなるため、輝度ムラを生じ、本例では、流入口３６in側のＬＥＤ３３の輝度を１００％としたときに、流出口３６out側のＬＥＤ３３の輝度が９３％まで、一割近くダウンしていることがわかる（図４（ｂ）、線Ｌ２参照）。
なお、供給風量を２倍にして実験してみたが、図４（ａ）の線Ｌ３に示すように、全体的な温度は低下するものの、流出口３６outから流入口３６inに向かって低下する温度勾配は解消されなかった。

特開２００８−２１８０７５号公報

そこで、本発明は、放熱ブロックを均等に強制冷却させることにより、放熱ブロックの一端側から他端側へ傾斜する温度勾配が形成されることなく均一な温度分布に維持されるように冷却し、熱の影響によるＬＥＤの輝度ムラをなくすことを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、直線又は曲線のラインに沿って１列又は複数列のライン状ＬＥＤアレイを形成するようにＬＥＤが配列されると共に、各ＬＥＤを装着したＬＥＤ装着基板が放熱ブロックに搭載され、前記基板を介して伝わるＬＥＤの熱を放熱ブロックに逃がして放熱するＬＥＤ照明装置において、前記放熱ブロックに、ライン状ＬＥＤアレイのＬＥＤ列に沿って少なくとも第一及び第二冷媒流路が並行に形成され、前記第一冷媒流路を介して放熱ブロックの一端側から他端側へ冷媒を流す第一冷媒供給系と、前記第二冷媒流路を介して放熱ブロックの他端側から一端側へ前記第一冷媒流路の流れとは反対方向に冷媒を流す第二冷媒供給系が形成されたことを特徴としている。

本発明によれば、第一冷媒供給系により、第一冷媒流路を介して放熱ブロックの一端側から他端側へ空気などの冷媒が流されると共に、第二冷媒流路を介して放熱ブロックの他端側から一端側へ冷媒が流されるので、放熱ブロックの長手方向両端側が同じ条件で冷却され、その長手方向に沿って略均一な温度分布が形成され、冷媒を一方向にのみ流したときのような一端側から他端側へ傾斜した温度勾配が形成されることがない。
したがって、ＬＥＤを点灯することにより生じた熱は放熱ブロックへ均一に逃がされ、どのＬＥＤも一定の条件で放熱されるので、ＬＥＤは点灯中及びその装着位置にかかわらず一定の温度に維持され、ＬＥＤの発熱に起因する輝度ムラを生ずることがない。
なお、冷媒としては、空気、水その他の流体を使用し得る。

本発明に係るＬＥＤ照明装置の一例を示す全体構成図。放熱ブロックの底面側斜視図。放熱ブロックを冷媒流路に沿って切断した断面図。放熱ブロックの温度分布を示すグラフ。本発明に係るＬＥＤ照明装置の他の実施形態を示す全体構成図。放熱ブロックの底面側斜視図。放熱ブロックを冷媒流路に沿って切断した断面図。従来のＬＥＤ照明装置を示す説明図。

本例は、放熱ブロックの一端側から他端側へ傾斜する温度勾配が形成されることなく均一な温度分布に維持されるように冷却し、熱の影響によるＬＥＤの輝度ムラをなくすという目的を達成するために、ＬＥＤがライン状に配列されるＬＥＤ装着基板を搭載した放熱ブロックに、ＬＥＤ列に沿って少なくとも第一及び第二冷媒流路が並行に形成され、前記第一冷媒流路を介して放熱ブロックの一端側から他端側へ冷媒を流す第一冷媒供給系と、前記第二冷媒流路を介して放熱ブロックの他端側から一端側へ前記第一冷媒流路の流れとは反対方向に冷媒を流す第二冷媒供給系を備えた。

図１〜図３に示すＬＥＤ照明装置１は、直線又は曲線のラインに沿って１列又は複数列のライン状ＬＥＤアレイ２を形成するようにＬＥＤ３…が配列されると共に、各ＬＥＤ３が装着されたＬＥＤ装着基板４が放熱ブロック１０に搭載されている。
ＬＥＤ装着基板４は、直接又は放熱シート（図示せず）を介して放熱ブロック１０に当接され、前記基板４を介して伝わるＬＥＤ３の熱を放熱ブロック１０に逃がして放熱させるようになっている。
なお、本例のライン状ＬＥＤアレイ２は、複数のＬＥＤ３…を一列の直線状に配しており、ＬＥＤ装着基板４を直方体の放熱ブロック１０の上面に固定しているが、ＬＥＤ３…は直線状に限らず曲線状に配列してもよく、また、一列に配する場合に限らず複数列に配してもよい。

放熱ブロック１０には、ライン状ＬＥＤアレイ２のＬＥＤ列に沿って少なくとも第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２が並行に形成されている。
本例の放熱ブロック１０は、ライン状に配されたＬＥＤ列に沿って底面側に複数の凹溝１１…を延設して成る放熱ブロック本体１２と、その凹溝１１…を塞いで前記第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２を形成する放熱カバー１３から成る。
そして、当該放熱カバー１３には、放熱ブロック１０の一端側１０Ａで第一冷媒流路Ｆ１に連通する流入口１４in及び第二冷媒流路Ｆ２に連通する流出口１５outが形成されると共に、放熱ブロック１０の他端側１０Ｂで第一冷媒流路Ｆ１に連通する流出口１４out及び第二冷媒流路Ｆ２に連通する流入口１５inが形成されている。
本例では、六本の凹溝１１…が並行に形成され、各流入口１４in、１５in、流出口１４out、１５outが夫々三本の凹溝１１に連通されているので、第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２は夫々三本の凹溝１１…から形成される。

また、ＬＥＤ照明装置１は、第一冷媒流路Ｆ１を介して放熱ブロック１０の一端側１０Ａから他端側１０Ｂへ冷媒を流す第一冷媒供給系Ｓ１と、第二冷媒流路Ｆ２を介して放熱ブロック１０の他端側１０Ｂから一端側１０Ａへ前記第一冷媒流路Ｆ１の流れとは反対方向に冷媒を流す第二冷媒供給系Ｓ２を備えている。
各冷媒供給系Ｓ１、Ｓ２は、ポンプ１６により供給される空気（冷媒）を分岐して各冷媒流路Ｆ１、Ｆ２に供給する冷媒供給管１７及び１８を備えている。
そして、冷媒供給系Ｓ１の冷媒供給管１７は、放熱ブロック１０の一端側１０Ａに形成された第一冷媒流路Ｆ１の流入口１４inに接続され、冷媒供給系Ｓ２の冷媒供給管１８は、放熱ブロック１０の他端側１０Ｂに形成された第二冷媒流路Ｆ２の流入口１５inに接続されている。

以上が本発明の一構成例であって、次にその作用について説明する。
ポンプ１６を起動すると、各冷媒供給系Ｓ１及びＳ２により、冷媒となる空気が冷媒供給管１７及び１８を介して、放熱ブロック１０に供給される。
第一冷媒供給系Ｓ１により、冷媒となる空気は第一冷媒流路Ｆ１の流入口１４inに供給され、第一冷媒流路Ｆ１内を放熱ブロック１０の一端側１０Ａから他端側１０Ｂに向かって流れ、流出口１４outから排出される（図３（ａ）参照）。
また、第二冷媒供給系Ｓ２により、冷媒となる空気は第二冷媒流路Ｆ２の流入口１５inに供給され、第二冷媒流路Ｆ２内を放熱ブロック１０の他端側１０Ｂから一端側１０Ａに向かって、第一冷媒流路Ｆ１内の流れとは反対方向に流れる（図３（ｂ）参照）。

第一冷媒流路Ｆ１を流れる空気は、流路Ｆ１を流れる間に放熱ブロック１０の熱を奪うので、流入口１４inが形成された放熱ブロック１０の一端側１０Ａでの伝熱量が多く、流出口１４outが形成された他端側１０Ｂでの伝熱量が少なくなっていく。
また、第二冷媒流路Ｆ２を流れる空気は、流路Ｆ２を流れる間に放熱ブロック１０の熱を奪うので、流入口１５inが形成された放熱ブロック１０の他端側１０Ｂでの伝熱量が多く、流出口１５outが形成された一端側１０Ａでの伝熱量が少なくなっていく。
このように、第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２に反対方向に冷媒を流すことにより、放熱ブロック１０はＬＥＤアレイ２のＬＥＤ列に沿ってその長手方向にわたり略均一に放熱され、温度勾配のないフラットな温度分布が得られる。

図４はその実験結果を示すグラフであって、図４（ａ）は放熱ブロックの温度分布、図４（ｂ）は相対輝度分布を示す。
グラフ線Ｌ１が本発明に係るＬＥＤ照明装置１の放熱ブロックの温度分布を示す。
グラフ線Ｌ２及びＬ３は、比較のため、本発明装置の冷媒供給系を組み替えて、各冷媒流路Ｆ１及びＦ２に同じ方向に空気を流した場合の温度分布である。
グラフ線Ｌ１及びＬ２は、各流路Ｆ１及びＦ２を流れる空気の風量を等しくし、方向だけを変えて実験した結果である。
また、グラフ線Ｌ３は、各流路Ｆ１及びＦ２を流れる空気の方向はグラフ線Ｌ２の実験と等しく、風量を二倍にしたときの実験結果である。
図４（ａ）より、冷媒となる空気を一方向に流した場合は風量を増大させてもＬＥＤ列の長手方向に沿って温度勾配が形成されてしまうのに対し、空気を反対方向に流した場合は同じ風量で均一な温度分布に維持されることがわかる。
図４（ａ）及び（ｂ）より、総風量の等しいグラフ線Ｌ１及びＬ２を比較すると、空気を一方向に流した場合の温度差が約２２度であり、相対輝度差は７％もあるのに対し、空気を反対方向に流した場合の温度差は８度以内とその温度差が約１／３であり、両端の相対輝度差は０％、中央部と両端の相対輝度差も僅か２％であった。
したがって、本発明のように各ＬＥＤ３…の発熱による輝度ムラが抑えられることが確認された。

図５〜図７は他の実施形態を示す。なお、図１〜図３と共通する部分は同一符号を付して詳細説明を省略する。

本例のＬＥＤ照明装置２１は、図１〜図３に示される第一冷媒供給系Ｓ１及び第二冷媒供給系Ｓ２の他に、放熱ブロック２２に第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２と並行に形成された第三冷媒流路Ｆ３を介して、放熱ブロック２２の中央部から両端へ向かって冷媒を流す第三冷媒供給系Ｓ３が設けられて成る。
なお、直線又は曲線のラインに沿って１列又は複数列のライン状ＬＥＤアレイ２を形成するようにＬＥＤ３…が配列されると共に、各ＬＥＤ３が装着されたＬＥＤ装着基板４が放熱ブロック２２に搭載されている点は、前記実施例１と同様である。

放熱ブロック２２は、ライン状に配されたＬＥＤ列に沿って延設され、底面側が開口された複数の凹溝１１…を形成した放熱ブロック本体１２と、その凹溝１１…を塞いで前記第一冷媒流路Ｆ１、第二冷媒流路Ｆ２、第三冷媒流路Ｆ３を形成する放熱カバー２３から成る。
そして、当該放熱カバー２３には、放熱ブロック２２の一端側２２Ａで第一冷媒流路Ｆ１に連通する流入口２４in、第二冷媒流路Ｆ２に連通する流出口２５outが形成されると共に、放熱ブロック２２の他端側２２Ｂで第一冷媒流路Ｆ１に連通する流出口２４out及び第二冷媒流路Ｆ２に連通する流入口２５inが形成されている。
第三冷媒流路Ｆ３は、第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２の間に形成され、前記カバー２３には、第三冷媒流路Ｆ３の中間位置に連通する冷媒流入口２６inと、その両端に夫々連通する二つの冷媒流出口２６out、２６outが形成されてなる。
本例では、放熱ブロック本体１２に六本の凹溝１１…が並行に形成され、各流入口２４in、２５in、２６in、流出口２４out、２５out、２６outが、夫々二本の凹溝１１に連通されているので、第一冷媒流路Ｆ１、第二冷媒流路Ｆ２、第三冷媒流路Ｆ３は夫々三本の凹溝１１…から形成される。

各冷媒供給系Ｓ１〜Ｓ３は、冷媒となる空気をポンプ１６により各冷媒流路Ｆ１〜Ｆ３に供給する冷媒供給管１７、１８、２７を備えている。
そして、冷媒供給系Ｓ１の冷媒供給管１７は、放熱ブロック２２の一端側２２Ａに形成された第一冷媒流路Ｆ１の流入口２４inに接続され、冷媒供給系Ｓ２の冷媒供給管１８は、放熱ブロック２２の他端側２２Ｂに形成された第二冷媒流路Ｆ２の流入口２５inに接続され、冷媒供給系Ｓ３の冷媒供給管２７は、放熱ブロック２２の中央部に形成された第三冷媒流路Ｆ３の流入口２６inに接続されている。

本例によれば、各冷媒供給系Ｓ１〜Ｓ３により、冷媒となる空気が冷媒供給管１７、１８及び２７を介して、放熱ブロック２２に供給される。
第一冷媒供給系Ｓ１により、冷媒となる空気は第一冷媒流路Ｆ１の流入口２４inに供給され、第一冷媒流路Ｆ１内を放熱ブロック２２の一端側２２Ａから他端側２２Ｂに向かって流れ、流出口２４outから排出される（図７（ａ）参照）。
また、第二冷媒供給系Ｓ２により、冷媒となる空気は第二冷媒流路Ｆ２の流入口２５inに供給され、第二冷媒流路Ｆ２内を放熱ブロック２２の他端側２２Ｂから一端側２２Ａに向かって、第一冷媒流路Ｆ１内の流れとは反対方向に流れる（図７（ｂ）参照）。
さらに、第三冷媒供給系Ｓ３により、冷媒となる空気は第三冷媒流路Ｆ３の流入口２６inに供給され、第三冷媒流路Ｆ３内を放熱ブロック２２の中央部から両端側２２Ａおよび２２Ｂに向かって流れる（図７（ｃ）参照）。

第一冷媒流路Ｆ１を流れる空気は、流路Ｆ１を流れる間に放熱ブロック１０の熱を奪うので、流入口１４inが形成された放熱ブロック１０の一端側１０Ａでの伝熱量が多く、流出口１４outが形成された他端側１０Ｂでの伝熱量が少なくなっていく。
また、第二冷媒流路Ｆ２を流れる空気は、流路Ｆ２を流れる間に放熱ブロック１０の熱を奪うので、流入口１５inが形成された放熱ブロック１０の他端側１０Ｂでの伝熱量が多く、流出口１５outが形成された一端側１０Ａでの伝熱量が少なくなっていく。
このように、第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２に反対方向に冷媒を流すことにより、放熱ブロック１０はＬＥＤアレイ２のＬＥＤ列に沿ってその長手方向にわたり略均一に放熱され、温度勾配のないフラットな温度分布が得られる。
そして、第三冷媒供給系Ｓ３により、第三冷媒流路Ｆ３に沿って放熱ブロック２２の中央部から両端に向かって冷媒となる空気を流せば、第一冷媒流路Ｆ１及び第二冷媒流路Ｆ２のみに冷媒を供給して放熱させた場合よりフラットな温度分布となるので、温度分布の均一性要求がより厳しい場合に効果的であり、各ＬＥＤ３…の輝度ムラをより少なくすることができる。

なお、冷媒としては、空気のみならず、水その他の流体も使用し得ることはもちろんである。
また、各冷媒供給系Ｓ１、Ｓ２に一台のポンプ１６から冷媒を供給する場合について説明したが、各供給系Ｓ１、Ｓ２ごとにポンプ、その他の冷媒供給手段を設けてもよいことはもちろんである。
さらに、放熱ブロック１０、２２として、凹溝１１を形成したブロック本体１２と、これに形成された凹溝１１を覆って流路Ｆ１〜Ｆ３を形成する放熱カバー１３、２３とから構成した場合について説明したが、図１及び図５に示すように長手方向に沿って複数の流路が形成された放熱ブロックを用いたり、多数の流路により断面が格子状に形成された放熱ブロックを用いて、複数の流路ごとに２〜３の流路群に分け、それぞれの流路群を第一、第二、あるいは第三の冷媒流路Ｆ１〜Ｆ３とする場合であってもよい。

以上述べたように、本発明は、高輝度ＬＥＤをライン状に配したＬＥＤ照明装置に適用し得る。

１ＬＥＤ照明装置
２ライン状ＬＥＤアレイ
３ＬＥＤ
４ＬＥＤ装着基板
１０放熱ブロック
１０Ａ放熱ブロックの一端側
１０Ｂ放熱ブロックの他端側
１１凹溝
１２放熱ブロック本体
１３放熱カバー
Ｆ１第一冷媒流路
Ｆ２第二冷媒流路
Ｓ１第一冷媒供給系
Ｓ２第二冷媒供給系

Claims

直線又は曲線のラインに沿って１列又は複数列のライン状ＬＥＤアレイを形成するようにＬＥＤが配列されると共に、各ＬＥＤを装着したＬＥＤ装着基板が放熱ブロックに搭載され、前記基板を介して伝わるＬＥＤの熱を放熱ブロックに逃がして放熱するＬＥＤ照明装置において、
前記放熱ブロックに、ライン状ＬＥＤアレイのＬＥＤ列に沿って少なくとも第一及び第二冷媒流路が並行に形成され、前記第一冷媒流路を介して放熱ブロックの一端側から他端側へ冷媒を流す第一冷媒供給系と、前記第二冷媒流路を介して放熱ブロックの他端側から一端側へ前記第一冷媒流路の流れとは反対方向に冷媒を流す第二冷媒供給系が形成されたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
前記ＬＥＤ装着基板が直接又は放熱シートを介して放熱ブロックに当接されてなる請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記冷媒が空気、水その他の流体であり、各冷媒供給系に対し一台のポンプ又はファンから圧送される流体が分岐されて供給される請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記放熱ブロックが、ライン状に配されたＬＥＤ列に沿って底面側に複数の凹溝を延設して成る放熱ブロック本体と、その凹溝を塞いで前記第一及び第二冷媒流路を形成する放熱カバーを備え、当該カバーには、第一及び第二冷媒流路の両端に連通する冷媒流入口及び冷媒流出口が形成されてなる請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記放熱ブロックに、前記第一及び第二冷媒流路と並行に第三冷媒流路が形成されると共に、第三冷媒流路を介して放熱ブロックの中央部から両端へ冷媒を流す第三冷媒供給系が形成された請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
前記放熱ブロックが、ライン状に配されたＬＥＤ列に沿って底面側に複数の凹溝を延設して成る放熱ブロック本体と、その凹溝を塞いで前記第一乃至第三冷媒流路を形成する放熱カバーを備え、当該カバーには、第一及び第二冷媒流路の両端に連通する冷媒流入口及び冷媒流出口が形成されると共に、第三冷媒流路の中間位置に連通する冷媒流入口と、その両端に夫々連通する冷媒流出口が形成されてなる請求項５記載のＬＥＤ照明装置。