JP2012104747A - Led light-emitting unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、LED発光ユニットに関するものであり、詳しくは、発光源のLED素子に対して優れた放熱性能を有するLED発光ユニットに関する。 The present invention relates to an LED light emitting unit, and more particularly, to an LED light emitting unit having excellent heat dissipation performance with respect to an LED element of a light emitting source.
従来、この種のLED発光ユニットとしては、例えば、以下のような構成からなるものが開示されている。 Conventionally, as this type of LED light emitting unit, for example, one having the following configuration has been disclosed.
それは、図8に示すように、ステム80上に設けられた銅ブロック81に半導体レーザチップ82をダイボンディングし、開口部83にガラス板84が取り付けられたキャップ85とステム80とで半導体レーザチップ82及び銅ブロック81を包み込む空間を形成して、その空間内に空間86を残すように絶縁性不活性液体87を充填したものである。
As shown in FIG. 8, a
これにより、半導体レーザチップ82が発生する熱は、銅ブロック81と半導体レーザチップ82との接触面から放熱されるだけでなく、半導体レーザチップ82の表面全体から絶縁性不活性液体87へ放熱される。
Thereby, the heat generated by the
その結果、半導体レーザチップ82の全体が絶縁性不活性液体87により効率よく冷却されて半導体レーザチップ82の温度上昇が抑制され、半導体レーザチップ82の高出力化及び半導体レーザチップ82の端面の劣化防止が実現できる、というものである。
As a result, the entire
この場合、空間86は、絶縁性不活性液体87が半導体レーザチップ82の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときに、パッケージの形状が変形したり破損したりするのを防止する役割を有している。
In this case, the
また、上述の構成に対して図9に示すように、キャップ85の内側に内筒88を設け、キャップ85と内筒88の間にマイクロカプセル89を満たすと共に、キャップ85とステム80とで形成された空間内を絶縁性不活性液体87で完全に満たしたものもある。
Further, as shown in FIG. 9 with respect to the above-described configuration, an
これにより、図8の構成と同様に、半導体レーザチップ82が発生する熱は、銅ブロック81と半導体レーザチップ82との接触面から放熱されるだけでなく、半導体レーザチップ82の表面全体から絶縁性不活性液体87へ放熱される。
Thus, as in the configuration of FIG. 8, the heat generated by the
その結果、半導体レーザチップ82の全体が絶縁性不活性液体87により効率よく冷却されて半導体レーザチップ82の温度上昇が抑制され、半導体レーザチップ82の高出力化及び半導体レーザチップ82の端面の劣化防止が実現できる、というものである。
As a result, the entire
この場合、マイクロカプセル89は、例えば、内部に空気や不活性ガスが充填された風船や微小孔を有する発泡性樹脂等からなる、外力に対し収縮性を有する部材で構成され、絶縁性不活性液体87が半導体レーザチップ82の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときに、マイクロカプセル89自体の体積が減少してパッケージの形状が変形したり破損したりするのを防止する役割を有している(例えば、特許文献1参照。)。
In this case, the
ところで、上記図8の構成からなる半導体発光素子90は、絶縁性不活性液体87の熱膨張により空間86は収縮するものの、その内圧は上昇する。例えば、空間86と絶縁性不活性液体87との体積割合を1:9とし、絶縁性不活性液体87の体積が温度上昇により常温時の1.1倍になった場合、常温時に1気圧であった空間86内の気圧は10気圧にまで上昇してしまい、パッケージを破壊するに十分な内圧となってしまう。
Meanwhile, in the semiconductor
一方、上記図9の構成からなる半導体発光素子91は、絶縁性不活性液体87の熱膨張によりマイクロカプセル89は収縮するものの、その内圧は上昇する。したがって、例えば、各マイクロカプセル89の総内部体積と絶縁性不活性液体87との体積割合を1:9とし、絶縁性不活性液体87の体積が温度上昇により常温時の1.1倍になった場合、常温時に1気圧であったマイクロカプセル89の総内部気圧は10気圧にまで上昇してしまい、図8の構成からなる半導体発光素子90と同様に、パッケージを破壊するに十分な内圧となってしまう。
On the other hand, in the semiconductor
そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、密閉空間内に充填した透明で絶縁性を有する冷却液に、LED素子及びLED素子に熱的に接続された放熱部材を冷却液に浸漬してLED素子の放熱効率を高めると共に、冷却液がLED素子の発熱による温度上昇に伴って熱膨張を生じたときにも、密閉空間を構成する構成部材に変形が生じたり構成部材を破損したりすることのないLED発光ユニットを提供することにある。 Therefore, the present invention was devised in view of the above problems, and the object of the present invention is to thermally connect the LED element and the LED element to a transparent and insulating coolant filled in the sealed space. The heat dissipating member is immersed in the cooling liquid to increase the heat dissipation efficiency of the LED element. An object of the present invention is to provide an LED light-emitting unit that does not cause damage or damage components.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、透光性を有し一端開口他端閉塞の筒状キャップと口金が接合され、前記筒状キャップの開口端部に対して、両端開口の一端開口端部を固定保持すると共に他端開口部が前記筒状キャップ内に位置する筒状の保持体と、前記保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより形成された密閉空間内に、透明で絶縁性を有する冷却液が充填されると共に該冷却液中にLEDが実装された金属製基台が浸漬されており、前記LEDの点灯時の発熱による前記冷却液の温度上昇によって該冷却液の体積が増加したときに、前記保持体内における前記容積可変体の変位により前記密閉空間の容積が増大して前記密閉空間の内圧の上昇を防止するようにしたことを特徴とするものである In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in claim 1 of the present invention is characterized in that a cylindrical cap that has translucency and is closed at one end and the other end is joined to an opening end of the cylindrical cap. In contrast, a cylindrical holding body that fixes and holds one end opening end portion of both end openings and the other end opening portion is located in the cylindrical cap, and a volume variable body that is housed and held inside the holding body. In the sealed space formed by the above, a transparent and insulating cooling liquid is filled and a metal base on which the LED is mounted is immersed in the cooling liquid. When the volume of the cooling liquid increases due to a rise in the temperature of the cooling liquid, the volume of the sealed space increases due to the displacement of the volume variable body in the holding body to prevent an increase in the internal pressure of the sealed space. It is characterized by
また、本発明の請求項2に記載された発明は、請求項1において、前記容積可変体は、伸縮弾性部材からなり一端を開口とし、他端を閉塞した筒状のダイヤフラム、前記保持体内を摺動自在に嵌装された筒状あるいは柱状のピストン、及び前記保持体内に沿って伸縮自在に嵌装された蛇腹状の伸縮筒のうちのいずれかであることを特徴とするものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the variable volume body is a cylindrical diaphragm that is made of an elastic elastic member and has one end opened and the other end closed. It is one of a cylindrical or columnar piston that is slidably fitted, and a bellows-like telescopic cylinder that is slidably fitted along the holding body.
本発明のLED光学ユニットは、キャップと口金を接合し、そのキャップとキャップに固定保持された保持体と、保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより密閉空間を形成し、その密閉空間内に冷却液を充填すると共に冷却液中にLEDが実装された金属製基台を浸漬させた構成とした。 The LED optical unit of the present invention joins a cap and a base, forms a sealed space by the cap, a holding body fixedly held by the cap, and a volume variable body housed and held inside the holding body. The space was filled with a cooling liquid, and a metal base on which an LED was mounted was immersed in the cooling liquid.
その結果、LEDの点灯時の発熱による冷却液の温度上昇によって冷却液の体積が増加しても、保持体内での容積可変体の変位により密閉空間の容積が増大して密閉空間の内圧の上昇を防止することができる。 As a result, even if the volume of the coolant increases due to the rise in temperature of the coolant due to the heat generated when the LEDs are turned on, the volume of the sealed space increases due to the displacement of the variable volume body in the holding body, and the internal pressure of the sealed space increases. Can be prevented.
以下、この発明の好適な実施形態を図1から7を参照しながら、詳細に説明する(同一部分については同じ符号を付す)。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、これらの実施形態に限られるものではない。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7 (the same parts are denoted by the same reference numerals). The embodiments described below are preferable specific examples of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. Unless stated to the effect, the present invention is not limited to these embodiments.
図1は、本実施形態に係わるLED発光ユニットの側面図、図2は上面図、図3(a)は部分断面上面図、(b)は部分断面側面図、図4及び図5はLED発光ユニットの駆動状態を示す説明図であり、そのうち(a)は部分断面上面図、(b)は部分断面側面図である。 1 is a side view of an LED light emitting unit according to the present embodiment, FIG. 2 is a top view, FIG. 3A is a partial cross-sectional top view, FIG. 4B is a partial cross-sectional side view, and FIGS. It is explanatory drawing which shows the drive state of a unit, (a) is a partial cross section top view, (b) is a partial cross section side view.
LED発光ユニット1は口金2とキャップ3が接合され、キャップ3内には冷却液4が充填されていると共に、その冷却液4中に、キャップ3に対して固定保持された基台11、12、同様にキャップ3に対して固定保持されたダイヤフラム収容筒5、及びダイヤフラム収容筒5内に収容されたダイヤフラム15の夫々が浸漬されている 。
In the LED light emitting unit 1, the
口金2は、LED発光ユニット1を灯具の光源に用いるときの灯具に対する取付部の機能、及び外部電源からの電力を受電する外部接続電極の機能を有している。更に、灯具への取付部として口金2を用いることにより、灯具に対するLED発光ユニット1の位置決めを精度よく且つ再現性よく行うことができる。その結果、灯具からの照射光の配光特性(配光分布)を光学設計に基づき高精度で忠実に且つ良好な再現性をもって確保することができる。
The
キャップ3は、樹脂やガラス等の透明部材からなり、一端を開口とし、他端を半球状に閉塞した円筒状に形成されている。
The
基台11、12はいずれも平板状の金属部材からなり、複数枚(本実施形態においては4枚)の基台11は、口金2の中心軸Xに沿って口金2側からキャップ3側に延びるように全体が柱状に配置されると共に、1枚の基台12は柱状の上端部(キャップ3側の端部)に前記中心軸Xに対して垂直になるように配置されている。
Each of the
柱状に配置された4枚の基台11の夫々には、外側面(キャップ3と対向する側の面)に、光出射面を側方(キャップ3側)に向けたLED(本実施形態では2つのLED)13が実装され、柱状の上端部に配置された基台12には、上面(キャップ3と対向する側の面)に、光出射面を上方(キャップ3側)に向けたLED(本実施形態では1つのLED)14が実装されている。
Each of the four
4枚の基台11と1枚の基台12で囲まれた内部には、口金2の中心軸Xに沿って口金2側からキャップ3側に延びるように円筒状のダイヤフラム収容筒5が配置されると共に、ダイヤフラム収容筒5の内部にはゴム等の伸縮弾性部材からなり一端を開口とし、他端を閉塞した円筒状のダイヤフラム15が配置され、その開口端部15aが外側に巻き上げられてキャップ3の開口端部の外周面3aに沿って被嵌されている。
Inside the four
これにより、キャップ3とダイヤフラム収容筒5とダイヤフラム15とにより密閉空間16が形成され、この密閉空間16内に、キャップ3に対して固定保持された、LED13が実装された4枚の基台11及びLED14が実装された1枚の基台12が位置している。それと同時に、密閉空間16内には、パラフィン油等の透明で絶縁性を有する冷却液4が充填されており、この冷却液4中に複数の基台11、12が浸漬された状態となっている。
Thereby, the sealed
そこで、各基台11に実装されたLED13及び基台12に実装されたLED14の夫々に搭載された発光源となるLED素子(図示せず)に電圧を印加すると、LED素子への通電による発光と同時に発熱を伴う。その場合、LED素子はLED素子自体の自己発熱による温度上昇によって発光寿命が短縮すると共に発光効率が低下する。その結果、信頼性が低下すると共に照射光量が低減することになる。
Therefore, when a voltage is applied to an LED element (not shown) serving as a light emitting source mounted on each of the
これに対し、上記構成のLED発光ユニット1においては、LED素子の発光時の熱はLED13が実装された金属製の基台11及びLED14が実装された金属製の基台12に伝導され、基台11、12の夫々の表面から該表面に接する冷却液4に効率的に伝達される。そして、受熱した冷却液4は密閉空間16内の自然対流によりキャップ3に熱伝達され、キャップ3の外面から該表面に接する外気に伝達されて移動し、暖気が大気中に放散される。 それと同時に、キャップ3に移動した熱の一部は金属製の口金2に伝導され、口金2を介してLED発光ユニット1が取り付けられた灯具の側に移動する。
On the other hand, in the LED light-emitting unit 1 having the above-described configuration, heat generated when the LED element emits light is conducted to the
その結果、LED素子からの熱が効率よく放熱され、LED素子の発光時の自己発熱による温度上昇が抑制されて温度上昇に起因する発光寿命の短縮及び発光効率の低下が抑制され、高い信頼性及び適切な照射光量を確保することができる。 As a result, the heat from the LED element is efficiently dissipated, the temperature rise due to self-heating during light emission of the LED element is suppressed, the shortening of the light emission lifetime and the decrease in light emission efficiency due to the temperature rise are suppressed, and high reliability In addition, an appropriate amount of irradiation light can be secured.
このように、上記構成のLED発光ユニット1はLED発光ユニット1自体に優れた放熱手段を有している。そのため、このLED発光ユニット1を灯具に光源として組み込んだ場合、灯具側にヒートシンク等の放熱手段を設ける必要がない。そのため、LED発光ユニット1は光源として灯具に組み込むことにより灯具の低コスト化及び軽量化に大いに寄与するものとなる。 Thus, the LED light-emitting unit 1 having the above-described configuration has excellent heat dissipation means in the LED light-emitting unit 1 itself. For this reason, when the LED light emitting unit 1 is incorporated in a lamp as a light source, it is not necessary to provide heat radiating means such as a heat sink on the lamp side. Therefore, the LED light emitting unit 1 greatly contributes to the reduction in cost and weight of the lamp by being incorporated in the lamp as a light source.
ところで、冷却液4はLED13、14の熱を受熱すると温度上昇によって膨張し、体積が増加する。するとそれに伴って図4に示すように、冷却液4の増加した分の圧力によってダイヤフラム15が押し潰されて該ダイヤフラム15の内容積が減少し、その分、キャップ3とダイヤフラム収容筒5とダイヤフラム15とにより形成された、冷却液4が充填された密閉空間16の容積が増大する。
By the way, when the
そして、更に冷却液4の温度が上昇すると熱膨張が大きくなって図5のようにダイヤフラム15を大きく押し潰し、冷却液4が充填された密閉空間16の容積が更に増大する。
When the temperature of the
このように、冷却液4の温度上昇に伴う熱膨張により冷却液4の体積が増加しても、その分、伸縮弾性部材からなるダイヤフラム15を押し潰して該ダイヤフラム15の内容積を減少させることにより冷却液4が充填された密閉空間16全体の容積が増大され、それにより冷却液4による密閉空間16の内圧の上昇が防止される。
Thus, even if the volume of the
そしてその後、LED13、14が消灯して冷却液4の温度が下がると冷却液4の体積が減少する。すると、押し潰されていたダイヤフラム15が冷却液圧に対抗する反発力によって徐々に膨らみ、最終的には元の形に戻り密閉空間16全体の容積を減少させる。その結果、LED13、14の点灯時とは反対に、冷却液4による密閉空間16の内圧の降下が防止される。
After that, when the
つまり、LED13、14の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液4が充填された密閉空間16の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液4が充填された密閉空間16を構成する構成部材(本実施形態においては、例えばキャップ3)に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いLED発光ユニットを実現することができる。
In other words, the internal pressure of the sealed
図6(部分断面側面図)及び図7(部分断面側面図)は、LED13、14点灯時の冷却液4の熱膨張に対して、冷却液4が充填された密閉空間16の内圧の上昇を防止する機能を有する上記ダイヤフラム15に代わって、他の構成によって同様の機能を発揮するようにしたものである。
6 (partial sectional side view) and FIG. 7 (partial sectional side view) show an increase in the internal pressure of the sealed
そのうち、図6のLED発光ユニット1は、4枚の基台11と1枚の基台12で囲まれた内部に、キャップ3に対して固定保持されて口金2の中心軸Xに沿って口金2側からキャップ3側に延びる両端開口を有する円筒状のシリンダ20と、該シリンダ20内に摺動自在に嵌装された円筒状あるいは円柱状のピストン21を備えた構成とするものである。
Among them, the LED light emitting unit 1 in FIG. 6 is fixedly held with respect to the
この場合、冷却液4が充填される密閉空間16は、キャップ3とシリンダ20とピストン21とで形成される。そのため、LED13、14の点灯時の発熱を受熱して温度上昇した冷却液4が熱膨張して体積が増加すると、増加した体積分の冷却液4がシリンダ20の上端開口(キャップ3側の開口)からシリンダ20内に流れ込んでピストン21に下方(口金2の方向)に向かう圧力を加え、ピストン21を口金2側に押圧移動させる。
In this case, the sealed
その結果、冷却液4の温度上昇に伴う熱膨張による冷却液4の体積の増加分は、シリンダ20内の冷却液4の容積を増大させることにより密閉空間16全体の容積を増大させ、それにより冷却液4による密閉空間16の内圧の上昇が防止される。
As a result, the increase in the volume of the cooling
その後、LED13、14が消灯して冷却液4の温度が下がると冷却液4の体積が減少する。すると、それに伴ってシリンダ20内のピストン21が上方(キャップ3の方向)に移動し、シリンダ20内の冷却液4の容積を減少させることにより密閉空間16全体の容積を減少させ、それによりLED13、14の点灯時とは反対に、冷却液4による密閉空間16の内圧の降下が防止される。
Thereafter, when the
つまり、LED13、14の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液4が充填された密閉空間16の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液4が充填された密閉空間16を構成する構成部材(本実施形態においては、例えばキャップ3)に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いLED発光ユニットを実現することができる。
In other words, the internal pressure of the sealed
但し、上記構成においては、図示はしていないが、LED13、14の消灯で冷却液4の体積が減少したときに、冷却液圧に対抗してピストン21を上方に押し上げるような、下方から上方に向かう押圧力を常時ピストン21に加えた状態に保持することが必要である。これには具体的に、バネやゴム等の弾性部材を用いることが考えられる。
However, in the above configuration, although not shown, when the volume of the
一方、図7のLED発光ユニット1は、4枚の基台11と1枚の基台12で囲まれた内部に、キャップ3に対して固定保持されて口金2の中心軸Xに沿って口金2側からキャップ3側に延びる両端開口を有する円筒状のガイド筒30と、ガイド筒30内に該ガイド筒に沿って伸縮自在の蛇腹状の伸縮筒31を備えた構成とするものである。
On the other hand, the LED light emitting unit 1 of FIG. 7 is fixedly held to the
この場合、冷却液4が充填される密閉空間16は、キャップ3とガイド筒30と伸縮筒31とで形成される。そのため、LED13、14の点灯時の発熱を受熱して温度上昇した冷却液4が熱膨張して体積が増加すると、増加した体積分の冷却液4がガイド筒30の上端開口(キャップ3側の開口)からガイド筒30内に流れ込んで伸縮筒31(伸縮筒31の上部32)に下方(口金2の方向)に向かう圧力を加え、蛇腹部33を圧縮して伸縮筒31の上部32を口金2側に押圧移動させる。
In this case, the sealed
その後、LED13、14が消灯して冷却液4の温度が下がると冷却液4の体積が減少する。すると、圧縮されていた蛇腹部33が冷却液圧に対抗する反発力によって徐々に伸長し、最終的には元の形に戻り密閉空間16全体の容積を減少させる。その結果、LED13、14の点灯時とは反対に、冷却液4による密閉空間16の内圧の降下が防止される。
Thereafter, when the
つまり、LED13、14の点灯時及び消灯時のいずれの場合においても、冷却液4が充填された密閉空間16の内圧がほぼ大気圧と同圧に保持されることになり、冷却液4が充填された密閉空間16を構成する構成部材(本実施形態においては、例えばキャップ3)に変形が生じたり構成部材を破損したりすることがなく、信頼性の高いLED発光ユニットを実現することができる。
In other words, the internal pressure of the sealed
1… LED発光ユニット
2… 口金
3… キャップ
3a… 外周面
4… 冷却液
5… ダイヤフラム収容筒
11… 基台
12… 基台
13… LED
14… LED
15… ダイヤフラム
15a… 開口端部
16… 密閉空間
20… シリンダ
21… ピストン
30… ガイド筒
31… 伸縮筒
32… 上部
33… 蛇腹部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... LED
14 ... LED
15 ...
Claims (2)
前記筒状キャップの開口端部に対して、両端開口の一端開口端部を固定保持すると共に他端開口部が前記筒状キャップ内に位置する筒状の保持体と、
前記保持体の内部に収容保持された容積可変体とにより形成された密閉空間内に、
透明で絶縁性を有する冷却液が充填されると共に該冷却液中にLEDが実装された金属製基台が浸漬されており、
前記LEDの点灯時の発熱による前記冷却液の温度上昇によって該冷却液の体積が増加したときに、前記保持体内における前記容積可変体の変位により前記密閉空間の容積が増大して前記密閉空間の内圧の上昇を防止するようにしたことを特徴とするLED発光ユニット。 A cylindrical cap that has translucency and is closed at one end and the other end is joined to a base,
A cylindrical holding body that fixes and holds one end opening end of both end openings with respect to the opening end of the cylindrical cap, and the other end opening is located in the cylindrical cap;
In a sealed space formed by the volume variable body accommodated and held inside the holding body,
A metal base on which LEDs are mounted is immersed in the cooling liquid while being filled with a transparent and insulating cooling liquid,
When the volume of the coolant increases due to the temperature rise of the coolant due to heat generated when the LED is turned on, the volume of the sealed space increases due to the displacement of the volume variable body in the holding body, and the volume of the sealed space increases. An LED light-emitting unit characterized in that an increase in internal pressure is prevented.
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