JP2013065436A - Ｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

【課題】電球筐体内に冷却ファンを取り付けたときの風切り音を抑制し、騒音の発生が無く、長寿命で高輝度である、冷却ファン内蔵のＬＥＤランプを提供する。
【解決手段】ＬＥＤ素子１が実装されたＬＥＤ基板３と、ＬＥＤ基板３を載置した放熱部材４０を配置し、他端側に口金５を螺合した筐体１０と、筐体１０内部に収容された冷却ファン４１とからなるＬＥＤランプにおいて、冷却ファン４１と口金５の間と、冷却ファン４１と放熱部材５０の間に、ＬＥＤランプ外界と筐体内部とを連通する開口部をそれぞれ設け、冷却ファン４１を収容する内部空間の、吸気する側の断面積が、冷却ファン４１の羽４２が回転したときに形成される円の面積よりも大きい。
【選択図】図５

Description

本発明は、ＬＥＤを光源に使用したＬＥＤランプに関する。

近年、環境意識の高まりから、省電力化に優れたＬＥＤ素子を光源に使用したＬＥＤ電球が盛んに用いられるようになってきた。特に最近は、水銀灯などの高輝度放電ランプ（ＨＩＤランプ）の代替としても使用できる高輝度なＬＥＤ電球が求められるようになってきている。これを実現するためには、ＬＥＤ基板上に高輝度のＬＥＤ素子を多数、高密度に配置しなければならないが、そうすることによって個々のＬＥＤ素子の温度上昇が大きくなり、明るさの低下、寿命の低下につながってしまう。そこでＬＥＤ素子の放熱をいかに効率的に行うかが重要な問題となる。

ＬＥＤ素子の放熱を行うために種々の発明がなされてきている。例えば特許文献１に記載されている電球型ＬＥＤランプは、ソケットに螺装する口金を有するランプ基部と、ランプ基部に多数のパワーＬＥＤを実装したＬＥＤ実装基板と、ＬＥＤ実装基板を覆って配置した防塵カバーを備えるとともにランプ基部とＬＥＤ実装基板との間に放熱孔を有するファンケースを介装し且つファンケースにファンを回転自在に内蔵配置することによってパワーＬＥＤの発熱をファンケース外部に強制排出自在としてなることを特徴とするものである。

また特許文献２に記載されている電球形ランプは、一端側の面に発光素子が設けられた基板と、一端に基板の他端側の面が取り付けられ、基板の発光素子から伝達される熱を放熱する複数の放熱フィンが設けられた放熱体と、基板を覆って放熱体の一端に取り付けられたグローブと、放熱体の他端に設けられた口金と、放熱体と口金との間に収容され、発光素子を点灯させる点灯回路と、放熱体の他端側に回転可能に設けられ、少なくとも放熱フィンを通気路の一部として放熱体の内部を通気させるファンと、を具備していることを特徴とするものである。

特開２００７−２６５８９２ 特開２０１０−４０２２１

これら特許文献に記載されているように、冷却ファンによって電球内部の空気を強制的に外部に排気することによって、発光素子の熱が効率的に放熱され、安定した照度を維持し、且つ長寿命なＬＥＤ電球を作成することができる。
しかしながら、電球の筐体内に冷却ファンを取り付けると、ファン周辺を構成している部材あるいは部材の壁面あるいはファンの羽で風切り音が発生し、場合によっては騒音となる。特許文献では、風切り音や騒音の問題、またそれを抑制するためのファン周辺の構造には一切触れていない。

本発明は、電球筐体内に冷却ファンを取り付けたときの風切り音を抑制するために鋭意検討した結果なされたものであり、騒音の発生が無く、長寿命で高輝度である、冷却ファン内蔵のＬＥＤランプを提供するものである。

請求項１に記載の発明にあたっては、ＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ基板と、一端側に前記ＬＥＤ基板を載置した放熱部材を配置し、他端側に口金を螺合した筐体と、前記筐体内部に収容された冷却ファンとからなるＬＥＤランプにおいて、前記冷却ファンと前記口金の間に、前記ＬＥＤランプの外界と前記筐体内部とを連通する開口部を設け、前記冷却ファンと前記放熱部材の間に、前記ＬＥＤランプの外界と前記筐体内部とを連通する開口部を設け、前記筐体内部に、一方の前記開口部が吸気口で、他方の前記開口部が排気口となる連通した通風路を形成し、少なくとも前記冷却ファンと前記吸気口の間の、前記筐体の中心軸方向に対する前記通風路の垂直方向の断面積が、前記冷却ファンの羽が回転したときに形成される円の面積よりも大きいことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明にあたっては、ＬＥＤ基板を載置した放熱部材において、冷却ファンと対向する面上に、前記冷却ファンの回転軸方向に略平行に平板形状の複数のフィンが設置され、前記フィンとフィンの間を通風路及び開口部とすることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明にあたっては、口金と冷却ファンを接続する筐体の少なくとも一部が、前記冷却ファンの回転軸と略重なる中心軸を有する２重管からなり、内側の管と外側の管の間を、ＬＥＤランプの外界と、前記冷却ファンが配置された前記筐体の内側とを連通する通風路とし、この通風路に前記２重管の中心軸と略平行する複数のリブを配置したことを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明にあたっては、前記冷却ファンによって、ＬＥＤ基板を載置した放熱部材側に送風し、請求項２記載の開口部を排気口とし、請求項３記載の開口部を吸気口とすることを特徴とするものである。

ファンの羽による風切り音は、主に吸気口側で渦流、逆流が発生することによって引き起こされており、請求項１の発明によれば、吸気口側の通風路を広げることで、前記渦流、逆流の発生が減少し、ファンの風切り音の発生が抑制され、騒音が低下した電球形ＬＥＤランプを提供できる。

請求項２の発明によれば、ＬＥＤ素子から発生した熱をより効率的に放熱でき、高輝度で長寿命の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

請求項３の発明によれば、外界の空気が抵抗無く冷却ファンに吸気されるので、モーターへの負荷を抑制した長寿命なファン内蔵の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

請求項４の発明によれば、外界の空気を直接放熱部材に吹きつけるので、ＬＥＤ素子から発生した熱をより効率的に放熱でき、高輝度で長寿命の電球形ＬＥＤランプを提供できる。

本実施形態の電球形ＬＥＤランプのカバー側から見た外観図 本実施形態の電球形ＬＥＤランプの口金側から見た外観図 本実施形態の電球形ＬＥＤランプのカバー側から見た分解図 本実施形態の電球形ＬＥＤランプの口金側から見た分解図 本実施形態の電球形ＬＥＤランプのＸ−Ｘ断面図 本実施形態と比較するための電球形ＬＥＤランプ１００のＸ−Ｘ断面図 本実施形態のアルミニウム筐体 本実施形態のプラスチック筐体 本実施形態の２重管の断面図

以下に本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本実施の形態は一例であり、これに限定されるものではない。

（実施の形態）
ＨＩＤランプ代替の、冷却ファンを内蔵した電球形の高輝度ＬＥＤランプを作成した。図１、図２は前記ＬＥＤランプ１００の外観図、図３、図４は前記ＬＥＤランプ１００の分解図、図５は前記ＬＥＤランプ１００のＸ−Ｘ断面図である。円筒形状の筐体１０の冷却ファン収容部４０に冷却ファン４１を取り付けた一端側に、複数のＬＥＤ素子１と複数のレンズ２からなる円板形状のＬＥＤ基板３が載置された円板形状の放熱部材５０が取り付けられ、この筐体１０の一端側にＬＥＤ基板３を覆って透光性カバー４が取り付けられ、この筐体１０の他端側に口金５が取り付けられている。本実施形態の筐体１０は、分割構造となっており、放熱部材５０を取り付けたアルミニウム製筐体２０と、冷却ファン収容部４０に冷却ファン４１を配置し一端に口金５を取り付けた絶縁性のプラスチック製筐体３０から構成されている。

放熱部材５０はアルミニウムからなり、ＬＥＤ基板３が取り付けられた裏面側に、この放熱部材５０の中心から外周に向かって放射状に複数の板状の放熱部材フィン５１が形成されている。
ＬＥＤ基板３はこの放熱部材５０の片面とアルミニウム製筐体２０の一端側の面に接合されている。

図７はアルミニウム製筐体２０の外観図で、一端が放熱部材５０の略直径でくり抜かれたドーナツ状円板２１と、このドーナツ状円板２１から中心軸方向に適当量離して配置した、放熱部材の略直径を有する円筒管２２とを、複数の板状の筐体フィン２３で接合した構造からなり、隣り合う筐体フィン２３同士と前記ドーナツ状円板２１と前記円筒管２２で囲まれた開口がアルミニウム筐体の吸排気口２５を形成しており、ＬＥＤランプ１００を組み立てたときに、ＬＥＤランプ１００の外界と筐体１０の内部が連通するようになる。本実施形態では、放熱面積を増やすために、前記筐体フィン２３と筐体フィン２３の間に更にフィン２４を配置している。

図８はプラスチック製筐体３０の外観図で、冷却ファン収容部４０に、冷却ファン４１が取り付けられ、このプラスチック製筐体３０の一部分が、この冷却ファン４１の回転軸と重なる中心軸を有する２重管３１からなり、内側の管３２と外側の管３３の間に前記２重管３１の中心軸と略平行する複数のリブ３４を配置した。リブ３４は口金近傍まで延設されており２重管の接合強度を確保している。図９はこの２重管の矢印方向から見たＹ−Ｙ断面図で、前記隣り合うリブ３４同士と内側の管３２と外側の管３３で囲まれた開口がプラスチック筐体の吸排気口３５を形成しており、ＬＥＤランプ１００を組み立てたときに、ＬＥＤランプ１００の外界と筐体１０の内部が連通するようになる。

図５の冷却ファン収容部４０のＺ−Ｚ断面、及びＷ−Ｗ断面での断面積が、冷却ファン４１の羽４２が回転したときに形成される円の面積よりも大きく形成されている。本実施形態では、冷却ファン４１の両側（吸気側及び排気側）での冷却ファン収容部４０の断面積を所望の大きさに形成することによって、ファンの回転方向によらず、すなわちプラスチック筐体の吸排気口３５が吸気口となる場合でも、排気口となる場合でも風切り音の発生が抑制され、騒音が低下する。
また、このように２重管内にリブ３４がある場合には、リブと渦流が衝突し、騒音を発生するので、冷却ファン４１はリブ３４から適宜離して配置するのが好ましい。

図６は、冷却ファンを２重管の端部に接触するように配置したＬＥＤランプである。符号は図５と同様なので省略した。この配置構造であると、プラスチック筐体の吸排気口３５が吸気口となるように冷却ファン４１を回転させた場合、吸気口の断面積が、前記羽４２が回転したときの面積よりも小さくなるので、風切り音による騒音が発生する。なお冷却ファン４１を、これとは逆向きに回転させ、アルミニウム筐体の吸排気口２５を吸気口とすることによって、騒音は発生しなくなる。

プラスチック筐体の吸排気口３５から外部の空気を吸気し、放熱部材５０に衝突させ、アルミニウム筐体の吸排気口２５から排気することで、これとは逆向きとなる空気流に比べて、ＬＥＤ素子の温度が２０℃低下した。このように外界の空気を放熱部材５０に衝突させることで、この放熱部材５０の空気側の境界層が薄くなり、伝熱効率が大幅に増大する。この場合、少なくともプラスチック筐体３０における、吸気側の冷却ファン収容部４０のＺ−Ｚ断面（図５）での断面積を、羽４２が回転したときに形成される断面積よりも大きくし、またリブ３４から離して配置しておく。こうすることで、冷却ファンによる騒音を抑制しつつ、冷却効率を大幅に上げることができ、ＨＩＤ代替に最適なＬＥＤランプ１００を作成することができる。

ＬＥＤ基板３は、略円形の平板で公知のガラスエポキシ基板、金属基板、セラミックス基板等のプリント基板を用いることができる。本実施形態では、ＬＥＤ素子１が実装される面が電気絶縁樹脂で被覆されたアルミニウム基材のプリント基板を用いている。
ＬＥＤ基板３が載置される側の放熱部材５０の表面は鏡面に仕上げられており、ＬＥＤ基板３と接合したときに空気層を介さないようにしている。更にＬＥＤ基板３と放熱部材５０の接合面にシリコングリース等の放熱グリースを塗布することが好ましい。

本実施形態では、冷却ファンとして軸流送風機（プロペラファン）を用いたが、シロッコファンのような遠心送風機を用いてもよい。

分割した一方の筐体の材質はアルミニウムに限らず、他の金属を用いることができ、また金属粒子や、酸化金属粒子を充填した放熱樹脂を用いてもよい。
またプラスチック筐体の材質として、汎用の樹脂であるポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリウレタン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリアミド、フェノール樹脂、アクリル樹脂等公知の樹脂材料が使用できる。

１：ＬＥＤ素子、２：レンズ、３：ＬＥＤ基板、４：透光性カバー、５：口金、１０：筐体、２０：アルミニウム筐体、２１：ドーナツ状円板、２２：円筒管、２３：筐体フィン、２４：フィン、２５：アルミニウム筐体の吸排気口、３０：プラスチック筐体、３１：２重管、３２：内側の管、３３：外側の管、３４：リブ、３５：プラスチック筐体の吸排気口、４０：冷却ファン収容部、４１：冷却ファン、４２：羽、５０：放熱部材、５１：放熱部材フィン、１００：ＬＥＤランプ

Claims (4)

1. ＬＥＤ素子が実装されたＬＥＤ基板と、一端側に前記ＬＥＤ基板を載置した放熱部材を配置し、他端側に口金を螺合した筐体と、前記筐体内部に収容された冷却ファンとからなるＬＥＤランプにおいて、前記冷却ファンと前記口金の間に、前記ＬＥＤランプの外界と前記筐体内部とを連通する開口部を設け、前記冷却ファンと前記放熱部材の間に、前記ＬＥＤランプの外界と前記筐体内部とを連通する開口部を設け、前記筐体内部に、一方の前記開口部が吸気口で、他方の前記開口部が排気口となる連通した通風路を形成し、少なくとも前記冷却ファンと前記吸気口の間の、前記筐体の中心軸方向に対する前記通風路の垂直方向の断面積が、前記冷却ファンの羽が回転したときに形成される円の面積よりも大きいことを特徴とした電球形ＬＥＤランプ。
2. ＬＥＤ基板を載置した放熱部材において、冷却ファンと対向する面上に、前記冷却ファンの回転軸方向に略平行に平板形状の複数のフィンが設置され、前記フィンとフィンの間を通風路及び開口部とすることを特徴とした請求項１記載の電球形ＬＥＤランプ。
3. 口金と冷却ファンを接続する筐体の少なくとも一部が、前記冷却ファンの回転軸と略重なる中心軸を有する２重管からなり、内側の管と外側の管の間を、ＬＥＤランプの外界と、前記冷却ファンが配置された前記筐体の内側とを連通する通風路とし、この通風路に前記２重管の中心軸と略平行する複数のリブを配置したことを特徴とした請求項１、請求項２記載の電球形ＬＥＤランプ。
4. 前記冷却ファンによって、ＬＥＤ基板を載置した放熱部材側に送風し、請求項２記載の開口部を排気口とし、請求項３記載の開口部を吸気口とすることを特徴とした請求項１記載の電球形ＬＥＤランプ。
   

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