JP2012119521A - Ｌｅｄ光源の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤ素子を含む発光モジュールの放熱経路にペルチェ素子を使用したＬＥＤ光源の冷却装置で、ＬＥＤ素子を集中して配置した場合のペルチェ素子が放熱のボトルネックにならない構造にすること。
【解決手段】ペルチェ素子（４、７）の吸熱面（８、１０）と密着する吸熱密着面（１２、１３）を有する熱拡散部（３）と、熱拡散部の吸熱密着面（１２、１３）に対向した平面を形成し、ペルチェ素子の放熱面（９、１１）と密着する放熱密着面（１４、１５）及び外部に対して熱を放熱する放熱機構（１６）を有する放熱部（５）とを備えており、熱拡散部（３）及び放熱部（５）が、複数のペルチェ素子を異なる平面で配置可能な複数の吸熱密着面（１２、１３）及び放熱密着面（１４、１５）を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ光源を冷却するためのＬＥＤ光源の冷却装置に関するものである。

近年の印刷機では、ＵＶインキの使用が増加している。ＵＶインキは、蒸発乾燥型や酸化重合型のインキに比較して、ＶＯＣが少なく、硬化時間が短いという利点があるためである。ＵＶインキを使用するためには、ＵＶ光源が必要である。従来からＵＶ光源としては、水銀灯などが使用されている。水銀灯は、消費電力が多く、オゾンを発生し、設備が大型化する欠点がある。

しかし、近年ではＵＶインキとＬＥＤ素子が著しく発展してきている。ＵＶインキは、いろいろな光源が使用可能になり、またＵＶインキを硬化させる光源としてＬＥＤを使用する例も見られる。特許文献１には、ＵＶ−ＬＥＤをＵＶ光源として使用した印刷機の例が記載されている。ここに記載された印刷機は、ＬＥＤ光源を画線に合わせてＯＮ／ＯＦＦするようになっている。ＬＥＤは、水銀灯と異なり瞬時にＯＮ／ＯＦＦが可能である。そのため、ＬＥＤ光源を使用することにより、画線に合わせてＯＮ／ＯＦＦが可能となった。ＬＥＤ光源は、画線に合わせてＯＮ／ＯＦＦすることにより、実質的な点灯時間が短くなり、水銀灯に比較して消費電力を節減できる。

印刷機においてＵＶインキの硬化に使用するＬＥＤ素子は数ワットから数百ワットの電力を消費する。さらに、ＵＶインキを硬化させるためには、所定の単位面積あたりの光量で、かつ所定の時間の照射が必要である。ＬＥＤ光源の単位面積あたりの光量を得るために、ＬＥＤ素子は密集して配置する必要がある。ＬＥＤ素子は、十分な冷却を行わないと、発光効率が低下する。従って、ＬＥＤ光源の冷却は、何らかの手段を講じて、能動的な冷却が不可欠である。

ＬＥＤ光源の冷却装置に応用可能な技術は、いろいろ提案されている。従来のＬＥＤ光源の冷却装置は、水冷式や空冷式が一般的である。一方、特許文献２には、ＬＥＤ光源と放熱フィンの間にペルチェ素子を配置したＬＥＤ光源の冷却装置の例が記載されている。ペルチェ素子は、熱電素子の一種であり、平板の形状で市販されており、電流を流すことにより、面の一方から吸熱し、他の一方の面から放熱する。熱を吸収する面を吸熱面、熱を放熱する面を放熱面という。特許文献２に記載されたＬＥＤ光源の冷却装置は、ＬＥＤ素子の熱をペルチェ素子で吸熱し、放熱フィン側に放熱する。放熱フィンは空気で冷却される。特許文献２の技術によれば、ペルチェ素子を配置したことにより、ＬＥＤ光源は、放熱フィンを冷却するための空気の温度よりも低く維持することが可能である。

また、特許文献３には、印刷機のインキ壺の冷却にペルチェ素子を多数並べた例が示されている。特許文献３の技術によれば、多数のペルチェ素子により、より大きな熱量を制御することが可能である。また特許文献４には、２枚のペルチェ素子よって、ツールの針を冷却する構成が示されている。

ペルチェ素子は、電流を流すことにより、吸熱面から放熱面に熱を能動的に移動させる。ペルチェ素子は、電流を増加させれば、それに応じて吸熱量も増加する。しかし、ペルチェ素子は電流による自己発熱があり、単位面積あたりの吸熱量には上限がある。

特開２００９−２０８４６３号公報 特開２００７−０６６６９６号公報 特開平０５−３３８１２０号公報 特開２００８−１４１１６１号公報

従来のＬＥＤ素子と放熱フィンの間にペルチェ素子を配置した冷却経路をもつＬＥＤ光源の冷却装置は、ＬＥＤ光源の出力を大きくできないという欠点があった。この原因は、ペルチェ素子の吸熱量が有限であるためである。すなわち、ペルチェ素子は、素子の仕様書に記載された所定の条件下での吸熱量以上の吸熱を行うことができない。ペルチェ素子の吸熱量を大きくするには、ペルチェ素子の面積を広げるしかない。従来のＬＥＤ光源の装置の構造では、ペルチェ素子の面積を大きくした場合に、ＬＥＤ光源の装置の外形寸法が大きくなるという課題がある。また、外形寸法の小さなＬＥＤ光源の装置は、ペルチェ素子の面積が小さくなるため、ペルチェ素子が冷却経路のボトルネックとなるという課題がある。
本発明は、ＬＥＤ素子を集中して配置した場合であっても、ペルチェ素子がＬＥＤ素子の冷却経路のボトルネックにならないような構造にすることにより大きな光出力のＬＥＤ光源を実現可能とするＬＥＤ光源の冷却装置を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、ＬＥＤ素子を含む発光モジュールと、発光モジュールと熱的に結合し、発光モジュールの熱を拡散させるための熱拡散面を備えるとともに、ペルチェ素子の吸熱面と密着する吸熱密着面を備えた熱拡散部と、ペルチェ素子の放熱面と密着する放熱密着面及び外部に対して熱を放熱する放熱機構を備えた放熱部と、熱拡散部の吸熱密着面及び放熱部の放熱密着面は対向した平面を形成し、かつ吸熱密着面及び放熱密着面の間にペルチェ素子を配置したＬＥＤ光源の冷却装置において、熱拡散部及び放熱部は、複数のペルチェ素子を異なる平面で配置できるように複数の吸熱密着面及び放熱密着面を備えていることを特徴とするＬＥＤ光源の冷却装置としたものである。

さらに、本発明は次のような概念も含んでいる。
（１）熱拡散部の吸熱密着面は、熱拡散部の熱拡散面に対して略直交する面であり、複数のペルチェ素子が熱拡散面に対して略垂直に配置することを特徴とするＬＥＤ光源の冷却装置としたこと。
（２）熱拡散部の吸熱密着面は、熱拡散面に対して直交し、かつ複数の吸熱密着面が表裏で隣接することを特徴とするＬＥＤ光源の冷却装置としたこと。
（３）熱拡散部の吸熱密着面は、熱拡散面に対して直交し、かつ複数の吸熱密着面が離間していることを特徴とするＬＥＤ光源の冷却装置としたこと。
（４）熱拡散部の吸熱密着面は、熱拡散部の熱拡散面に対して略並行な面であり、複数のペルチェ素子を熱拡散面に対して略並行に配置すること。
（５）熱拡散部の熱容量を、放熱部の熱容量に比較して小さくしたこと。

本発明を実施したＬＥＤ光源の冷却装置は、小さな面積にＬＥＤ素子を集中して配置する構造であっても冷却に使用するペルチェ素子の面積を実質的に拡大することができる。本発明を実施したＬＥＤ光源の冷却装置は、ＬＥＤ素子を冷却するための冷却経路に置いたペルチェ素子の吸熱量が冷却能力のボトルネックにならない。

図１は、第１の実施の形態の側面図である。 図２は、第１の実施の形態の正面図である。 図３は、第１の実施の形態の斜視図である。 図４は、第２の実施の形態の側面図である。 図５は、第３の実施の形態の側面図である。 図６は、第４の実施の形態の側面図である。 図７は、冷媒のダクトの側面図である。 図８は、冷却システムのブロック図である。 図９は、温度制御のブロック図である。

図１は、本発明の第１の実施の形態の側面図であり、図２はその正面図であり、図３はその斜視図である。ＬＥＤ光源の冷却装置１は、ＬＥＤ素子を含む発光モジュール２、発光モジュール２と密着した熱拡散部３、熱拡散部３と密着したペルチェ素子４及びペルチェ素子４と密着した放熱部５から構成されている。

発光モジュール２は、図３に示すように、所定の領域にＬＥＤ素子を配置したモジュールである。発光モジュール２のＬＥＤ素子は、ＵＶインキを硬化させるのに必要な発光パターンを得るために密集して配置される。熱拡散部３は、英文字のＴの字の形状になっている。熱拡散部３は、熱拡散面６を備えている。熱拡散面６は、発光モジュール２と熱的に密着される。熱拡散面６は、発光モジュール２に発生した熱を効率的に熱拡散部３に拡散させる。発光モジュール２と熱拡散面６は、分離可能な別々の構造物であってもよいが、熱拡散面６に熱伝導性の良い絶縁皮膜を形成し、絶縁皮膜の上に配線金属をメッキして析出させ、さらに配線金属にＬＥＤ素子を実装する構造でもよい。この構造は、アルミ配線板として一般に普及している構造である。後者の構造の場合は、発光モジュール２と熱拡散面６は一体構造となる。

４、７は、ペルチェ素子である。ペルチェ素子４、７は、長方形の外形であり、所定の厚さをもった平板である。ペルチェ素子４、７は、代表例として、外形寸法が横３０ｍｍ×縦３０ｍｍ、厚みが３ｍｍ程度で、吸熱量は５８Ｗ程度である。ペルチェ素子４、７は、電流を流したときに吸熱面と放熱面を形成する。吸熱量は、吸熱面から放熱面に熱を移動させる能力を示す。吸熱量は、ペルチェ素子の外形寸法に依存する。吸熱量を増加させるには、外形寸法の縦横の寸法を増加する必要がある。ペルチェ素子４は吸熱面８と放熱面９を形成している。ペルチェ素子７は吸熱面１０と放熱面１１を形成している。熱拡散部３は、ペルチェ素子４の吸熱面８と密着する吸熱密着面１２及びペルチェ素子７の吸熱面１０と密着する吸熱密着面１３を備えている。放熱部５は、ペルチェ素子４の放熱面９と密着する放熱密着面１４及びペルチェ素子７の放熱面１１と密着する放熱密着面１５を備えている。１６は、放熱部５の放熱フィンである。放熱フィン１６は、放熱部５の熱を外部に放熱する。

熱拡散部３の吸熱密着面１２、１３は、それぞれ放熱部５の放熱密着面１４、１５と対向する構造になっている。熱拡散部３及び放熱部５が組み合わされると、吸熱密着面１２、１３及び放熱密着面１４、１５の間にペルチェ素子４、７が挟み込まれる。

熱拡散部３は、２つの吸熱密着面１２、１３を備え、放熱部５も２つの放熱密着面１４、１５を備えている。ペルチェ素子４、７は、熱拡散部３に対して背中合わせになっており、ペルチェ素子４、７は相互に異なる平面の配置となる。すなわち、熱拡散部３の吸熱密着面１２、１３は、熱拡散面６に対して直交し、かつ吸熱密着面１２、１３が表裏で隣接する。

以上のような構造で、発光モジュール２が発熱すると、その熱は直ちに熱拡散部３に拡散する。熱拡散部３が所定の温度になった場合は、ペルチェ素子４、７に電流が流される。その結果、熱拡散部３の熱はペルチェ素子４、７によって吸熱され、放熱部５に向けて放熱される。放熱部５の熱は、放熱フィン１６によって放熱される。

図９は、温度制御のブロック図である。１７は、発光モジュール２に接近して設けた温度センサである。１８は、ペルチェ素子４、７の駆動回路である。駆動回路１８は、ペルチェ素子４、７に流す電流を制御することにより、温度センサ１７によって検出される温度が、所定の範囲に収まるように制御する。温度センサ１７によれば、発光モジュール２の現在の温度を直接測定できる。駆動回路１８は、温度センサ１７によらないで、間接的に発光モジュール２の温度を知ることができる。すなわち、発光モジュール２によって消費される電力がわかれば、発光モジュール２単体によって発生する発熱量がわかる。また、ペルチェ素子４、５で消費する電力がわかれば、ペルチェ素子４、５の自己発熱量がわかる。ＬＥＤ光源の冷却装置１の発熱源はこの２つであるから、発光モジュール２の温度を所定の範囲に維持するためのペルチェ素子４、５に流す冷却電流が設定可能である。実際の冷却電流の設定値は、実験によって決定可能である。発光モジュール２によって消費される電力によってペルチェ素子４、５の制御を行えば、時間遅れを生じないで発光モジュール２の温度を制御することができる利点がある。

図１に示すように、ペルチェ素子４、７は、空間上異なる平面であるため、ペルチェ素子４、７の外形面積が広くても相互に干渉しない。また、ペルチェ素子４、７は、熱拡散面６に対して略垂直の面を形成する。従って、発光モジュール２と熱的に結合する熱拡散面６の面積を広げないで、大きな面積のペルチェ素子４、７を使用することができる。すなわち、発光モジュール２には、出力の大きなＬＥＤ素子を小さな面積に密集して配置しても、ペルチェ素子４、７は、十分な面積のペルチェ素子を配置することができる。従ってＬＥＤ素子の発熱が大きくても十分に吸熱することが可能となる。

なお、熱拡散部３の熱容量は、放熱部５の熱容量に比較して小さくてよい。これは、発光モジュール２のＬＥＤ素子の温度がペルチェ素子４，７の吸熱に短時間で応答するためである。印刷機に使用されるＬＥＤ光源は、印刷物の画線に応じて短時間でＯＮ／ＯＦＦが繰り返される。そうすると、発光モジュール２の周辺は、短い周期で発熱と非発熱を繰り返す。発光モジュール２は、温度が高くなると、ＬＥＤ素子の効率が低下する。発光モジュール２は、温度を下げすぎると結露が発生する。

このような特性を有する発光モジュール２の温度制御は、温度の上限値と下限値を設定し、発光モジュール２の温度がその間になるようにしたほうが好ましい。発光モジュール２の温度を所定の範囲に収めるには、発光モジュール２から熱拡散部３を通り、ペルチェ素子４、７の吸熱面８、１０に至る放熱経路の熱容量（蓄熱量）が小さいほうがよい。特に熱拡散部３の熱容量は、発光モジュール２の熱を吸熱面８、１０に熱を効率よく伝達できる範囲で小さいほうがよい。一方放熱部５は、ペルチェ素子４、７から放熱される熱を受け取っても、放熱部５自体の温度が短時間で急激に上昇しないように、大きな熱容量（蓄熱量）があったほうがよい。すなわち、熱拡散部３の熱容量と放熱部５の熱容量を対比すれば、熱拡散部３の熱容量を、放熱部５の熱容量に比較して小さくするほうがよい。

図４は、本発明の第２の実施の態様を示した側面図である。図４に示した例では、熱拡散部３の吸熱密着面１２、１３は、熱拡散面６に対して直交し、かつ吸熱密着面１２、１３が離間している。図４に示した実施の態様では、拡散部３の吸熱密着面１２、１３が離間することにより、幾分構造が複雑になるが、外周面１９、２０からの放射熱や空気中への伝導による放熱が期待できる。

図５は、第３の実施の態様の側面図である。第３の実施の態様の基本的な構造は、図１に示した第１の実施の態様と同じである。第３の実施の態様では、熱拡散部３と接するペルチェ素子が、４、７に加えて２１、２２を設けたものである。この構造によれば、ペルチェ素子の枚数が増加するため、発光モジュール２の発光出力をより大きくすることが可能である。

図６は、本発明の第４の実施の態様である。図６に示した実施の態様では、熱拡散部３の吸熱密着面１２、１３、３１、３２は、熱拡散部３の熱拡散面６に対して略並行する面である。また、複数のペルチェ素子４、７、２２、２１が熱拡散面６に対して略並行に配置してある。これは、熱拡散部３を３０に示す部分で略直角に折り曲げた構造としたためである。図６に示した実施の態様は、熱拡散面６の面積を一定にして、ペルチェ素子４、７等の数量を多くすることが可能である。

図７は、図１に示した第１の実施の態様に、冷媒を通すためのダクトを追加したときの側面図である。ダクト２３は、英文字のＵの字の断面をしており、放熱部５の放熱フィン１６を覆うように設けられている。空間２４は、放熱フィン１６に沿って形成される空間である。空間２４には、空気、水、オイル又はガスなどその他の冷媒を通すことが可能である。空間２４に通す冷媒の温度は、低ければ低いほどペルチェ素子４、５に流す電流を低減できる。ただし、ＬＥＤ光源の冷却装置１の周囲の気温に比較して、冷媒の温度が低すぎると、結露の問題が生じる。例えば、気温が２０度であれば、冷媒の温度も２０度前後か２０度より１度から５度程度高いのが望ましい。

この場合、ペルチェ素子４、７が存在しないか、または動作していない場合は、熱拡散部３の熱を放熱部５に拡散することが難しい。しかし、ペルチェ素子４、７に電流を流すことにより、ペルチェ素子４，７が良好に動作すれば、熱拡散部３の温度は、冷媒の温度にかかわらず目標温度に維持することができる。仮に、冷媒の温度が変動しても、ペルチェ素子４、７の吸熱量の制御が可能な範囲で熱拡散部３の温度を維持することが可能である。その結果、図７に示したＬＥＤ光源の冷却装置１は、結露を起こさないで、熱拡散部３の温度を低く維持することが可能である。

また、ペルチェ素子４、７による温度制御の動作可能範囲であれば、放熱部５を冷却する冷媒の温度は、厳密に管理されている必要はない。冷媒の温度は変動してもよい。そのため、放熱部を冷却するデバイスは比較的安価なものが使用可能である。

図８は、冷却システムのブロック図である。２６、２７、２７、２９は、図１に示したＬＥＤ光源の冷却装置１を４つ並べたものである。ＬＥＤ光源の冷却装置１は、長手方向に一体で形成することも可能であるが、ペルチェ素子は大きな物理的外力が加わると故障する。そのため、熱拡散部や放熱部の熱膨張を吸収するように、分離してもよい。また、２５は、冷媒循環式冷却装置である。

ＬＥＤ光源は、特許文献１に記載のように、画線部に合わせてＯＮ／ＯＦＦされる。すなわち、ＬＥＤ光源は、画線によっては、ＯＮの時間が非常に短いことがある。従って、ダクト２３に通す冷媒は、循環させるようにしたほうが、冷媒の冷却効率を有効に使用することができる。循環させる冷媒は、空気、水、オイルあるいはガスなどでよい。

本発明の実施の態様では、ＵＶのＬＥＤ光源として説明したが、ＵＶに限らず可視光あるいは赤外線ＬＥＤであっても当然に本発明を実施可能である。

１ ＬＥＤ光源の冷却装置
２ 発光モジュール
３ 熱拡散部
４、７、２１、２２ ペルチェ素子
５ 放熱部
６ 熱拡散面
１２、１３、３１、３２ 吸熱密着面
１６ 放熱フィン

Claims (6)

1. ＬＥＤ素子を含む発光モジュールと、
   前記発光モジュールと熱的に結合し、前記発光モジュールの熱を拡散させるための熱拡散面を備えるとともに、ペルチェ素子の吸熱面と密着する吸熱密着面を備えた熱拡散部と、
   前記ペルチェ素子の放熱面と密着する放熱密着面及び外部に対して熱を放熱する放熱機構を備えた放熱部と、
   前記熱拡散部の吸熱密着面及び前記放熱部の放熱密着面は対向した平面を形成し、かつ前記吸熱密着面及び放前記熱密着面の間に前記ペルチェ素子を配置したＬＥＤ光源の冷却装置において、
   前記熱拡散部及び前記放熱部は、複数の前記ペルチェ素子を異なる平面で配置できるように複数の前記吸熱密着面及び前記放熱密着面を備えていることを特徴とするＬＥＤ光源の冷却装置。
2. 前記熱拡散部の吸熱密着面は、前記熱拡散部の熱拡散面に対して略直交する面であり、前記複数のペルチェ素子が前記熱拡散面に対して略垂直に配置することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源の冷却装置。
3. 前記熱拡散部の吸熱密着面は、前記熱拡散面に対して直交し、かつ複数の前記吸熱密着面が表裏で隣接することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源の冷却装置。
4. 前記熱拡散部の吸熱密着面は、前記熱拡散面に対して直交し、かつ複数の前記吸熱密着面が離間していることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源の冷却装置。
5. 前記熱拡散部の吸熱密着面は、前記熱拡散部の熱拡散面に対して略並行する面であり、前記複数のペルチェ素子が前記熱拡散面に対して略並行に配置することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源の冷却装置。
6. 前記熱拡散部の熱容量は、前記放熱部の熱容量よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ光源の冷却装置。

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