JP2013105711A - 照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】発光モジュールの放熱性を高めることができ、光出力を十分に高めることができ、所望する配光特性を得ることができる照明器具を提供することを課題とする。
【解決手段】実施形態に係る照明器具は、放熱体と、この放熱体上に伝熱可能に形成された発光モジュールと、この発光モジュールを覆い、放熱体との間に標準気圧未満の密閉空間を形成する透光性のグローブと、密閉空間に封入された液体と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの半導体発光素子を基板に実装した発光モジュールを組み込んだ電球型ＬＥＤランプなどの照明器具に関する。

一般に、電球型のＬＥＤランプは、ＬＥＤを基板に実装した発光モジュール、この発光モジュールを接触せしめて取り付けた放熱体、および発光モジュールの光の取り出し側を覆った透光性のグローブを有する。発光モジュールから放出された光は、グローブを透過して照明光として利用され、発光モジュールから発生した熱は、放熱体を介して放熱される。

特開２００５−１０８７００号公報 特開２００９−２７７５８６号公報

上述した従来の電球型ＬＥＤランプの光出力を高めるためには、発光モジュールの放熱性を高める必要があり、放熱体のサイズ（表面積）をある程度大きくする必要がある。反面、電球のサイズは規格によりほぼ決められているため、放熱体のサイズを大きくすると、その分、グローブの大きさが小さくなり、配光特性に影響が出る。

よって、発光モジュールの放熱性を高めることができ、光出力を十分に高めることができ、所望する配光特性を得ることができる照明器具の開発が望まれている。

実施形態に係る照明器具は、放熱体と、この放熱体上に伝熱可能に形成された発光モジュールと、この発光モジュールを覆い、放熱体との間に標準気圧未満の密閉空間を形成する透光性のグローブと、密閉空間に封入された液体と、を備える。

本発明によれば、発光モジュールの放熱性を高めることができ、光出力を十分に高めることができ、所望する配光特性を得ることができる。

図１は、実施形態に係る電球型ＬＥＤランプを示す外観斜視図である。 図２は、図１のＬＥＤランプを管軸に沿って切断した断面図である。 図３は、図１のＬＥＤランプを複数の構成要素に分解した分解斜視図である。 図４は、図１のＬＥＤランプを複数の構成要素に分解した断面図である。 図５は、図１のＬＥＤランプの熱分布を示す図である。 図６は、図１のＬＥＤランプの密閉空間内に封入した水を取り除いた場合の熱分布を示す図である。

以下、図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。
図１には、実施形態に係る照明器具として、電球型のＬＥＤランプ１の外観斜視図を示してある。また、図２には、このＬＥＤランプ１を管軸に沿って切断した断面図を示してある。また、図３には、このＬＥＤランプ１を複数の構成要素に分解した分解斜視図を示してあり、図４には、この分解したＬＥＤランプ１の断面図を示してある。

ＬＥＤランプ１は、発光モジュール２、放熱ケース３、口金４、内側ドーム５、およびグローブ６を有する。このＬＥＤランプ１は、図示しない器具本体のソケットに口金４を螺合することで、器具本体に電気的および機械的に接続される。

発光モジュール２は、図１および図２に示すように、円形の基板２ａの表面に図示しない複数個のＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）チップを実装し、これら複数個のＬＥＤチップを囲む円環状の枠２ｂを設け、この枠２ｂ内に封止樹脂２ｃを充填して構成されている。発光素子として、ＬＥＤの代りに有機ＥＬ素子などの固体発光素子を用いても良い。

基板２ａは、例えば、金属ベースの表面に絶縁層を形成し、その上に配線パターンや反射層を形成して構成されている。ＬＥＤチップは、例えば、青色光を発光する青色ＬＥＤであり、基板２ａの表面にある反射層の上に取り付けられて配線パターンにそれぞれ接線される。ＬＥＤチップは、基板にフリップチップ実装しても良い。

封止樹脂２ｃは、例えば、青色光によって青色と補色の関係にある黄色光を励起発光する蛍光体を含む。つまり、ＬＥＤチップから放出される青色光と蛍光体によって励起発光される黄色光が混ざって白色に近い光が発光モジュール２から放出されることになる。発光モジュール２の発光色は、ＬＥＤチップおよび／或いは封止樹脂２ｃを変更することで調節できる。

放熱ケース３は、内部が空洞の略円筒形状を有するセラミックスにより構成されている。この他に、放熱ケース３の材質としてアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属を用いても良い。

放熱ケース３の空洞にされた内部には、発光モジュール２の複数個のＬＥＤチップに直流電流を給電するための電源回路や点灯回路を構成する図示しない複数の電子部品を実装した図示しない回路基板が収容配置されている。この回路基板は、放熱ケース３に接触して取り付けられており、発光モジュール２の基板２ａに電気的に接続される。つまり、回路基板の熱は、放熱ケース３に伝えられる。

放熱ケース３の図示上端にある円形の開口３ａは、発光モジュール２の基板２ａによって塞がれる。言い換えると、放熱ケース３の図示上端には、発光モジュール２の基板２ａの背面側の周縁に接触する円環状の基板載置面３ｂが形成されている。この基板載置面３ｂの径は、発光モジュール２の基板２ａの径と程同じである。この円環状の基板載置面３ｂを介して発光モジュール２の熱が放熱ケース３へ伝えられる。

基板載置面３ｂの外側には、内側ドーム５を取り付けるための円環状の内側肩部３ｃが形成されている。この内側肩部３ｃは、基板載置面３ｂより図示下側に位置している。また、この内側肩部３ｃより図示下側に離間した位置で放熱ケース３の外面には、グローブ６を取り付けるための円環状の外側肩部３ｄが形成されている。

つまり、内側肩部３ｃの外径は基板載置面３ｂの外径より大きく、外側肩部３ｄの外径は内側肩部３ｃの外径より大きい。このため、後述する内側ドーム５の外側にグローブ６が配置される２重管構造となる。

さらに、外側肩部３ｄより図示下側の放熱ケース３は、口金４を取り付けるため小径にされている。また、この部分は、口金４のねじ４ａに合わせて螺旋状の凸凹形状にされている。口金４は、その外周に、図示しない器具側のソケットに螺合するためのねじ山４ａを有する。この口金４は、上述した回路基板に電気的に接続される。

内側ドーム５は、図示下端に、放熱ケース３の内側肩部３ｃに密着して当接する円環状の開口縁部５ａを有する。この内側ドーム５は、その開口縁部５ａを放熱ケース３の内側肩部３ｃに気密に接着固定することで放熱ケース３に固定される。この状態で、放熱ケース３の基板載置面３ｂ上に載置した発光モジュール２は、内側ドーム５によって囲むように覆われて密閉される。

内側ドーム５は、例えば、ガラスにより形成されており、発光モジュール２から放出された光を拡散させるための拡散剤を含んでいる。或いは、この内側ドーム５は、すりガラスにより形成される。つまり、内側ドーム５は、それ自体が発光する発光部として機能する。このため、内側ドーム５の図示上端近くは、少なくとも後述するグローブ６の中心まで延びている。なお、内側ドーム５が発光モジュール２を覆った空間は大気圧にされている。

グローブ６は、例えば、ガラスにより形成されており、略球体に近い外形を有し、図示下端に円環状の開口縁部６ａを有する。グローブ６の図示下端近くは、開口縁部６ａに向かって緩やかに収束する形状を有する。開口縁部６ａの開口径は内側ドーム５の外径より僅かに大きい。

そして、グローブ６は、上述した内側ドーム５を囲うように内側ドーム５の外側に互いに離間して被せられ、その開口縁部６ａを放熱ケース３の外側肩部３ｄに気密に接着せしめることで、放熱ケース３に固定される。或いは、内側ドーム５とグローブ６は、一体に形成されても良い。

いずれにしても、内側ドーム５の外側でグローブ６の内側の空間は気密にされた密閉空間Ｓを構成する。この密閉空間Ｓは、放熱ケース３の一部、すなわち内側肩部３ｃと外側肩部３ｄとの間の外周面に接している。言い換えると、本実施形態のＬＥＤランプ１は、放熱ケース３の一部が上記密閉空間Ｓに露出する構造に設計されている。

そして、この密閉空間Ｓは、真空引きされて減圧され、少量の水が封入される。例えば、この密閉空間Ｓは、水が約６０℃で気化する程度の圧力まで減圧される。水以外に、密閉空間Ｓに封入する液体の条件として、透光性を有し、減圧を伴って６０度程度の温度で気化する液体であれば代替可能であるが、液体から気体或いは気体から液体への状態変化を制御し易く且つ取り扱いが容易な透光性を有する最適な液体は水である。

本実施形態では、容積１２．５ｍｌの密閉空間Ｓ内に、０．１ｍｌの水を封入し、密閉空間Ｓを１５０トルまで減圧させた。この圧力は、後述するように、密閉空間Ｓ内で水蒸気が発生した状態で、水が６０℃で沸騰する圧力である。この場合、例えば、グローブ６の図示上端にガラス管（図示せず）を接続しておき、このガラス管を介して密閉空間Ｓを真空引きし、同時に適量の水を密閉空間Ｓ内に流し込む。そして、ガラス管を切断してその接続箇所を封止する。

密閉空間内の気圧は、封入した液体が約６０−７０℃で気化する圧力が望ましい。例えば、液体に水を用いる場合は、６０℃で気化させるには約１５０Ｔｏｒｒ、７０℃で気化させるには約２３５Ｔｏｒｒである。

以下、上述した構造のＬＥＤランプ１の放熱機能について説明する。
口金４を介して器具本体（図示せず）からＬＥＤランプ１へ給電し、発光モジュール２を点灯させると、基板２ａを介して発光モジュール２の熱が放熱ケース３へ伝えられる。同時に、放熱ケース３内部に収容した回路基板（図示せず）の熱も放熱ケース３に伝えられる。すなわち、ＬＥＤランプ１を点灯させると、経時的に、放熱ケース３が徐々に加熱される。

このように、放熱ケース３に伝えられた熱は、放熱ケース３自体を介して大気中に放熱されるとともに、放熱ケース３の一部が露出した密閉空間Ｓ内にある水を加熱する。本実施形態では、放熱ケース３のサイズが比較的小さいため、その分、水を加熱する熱量の割合が大きくなっている。これにより、発光モジュール２の熱が奪われて冷却されるとともに、回路基板に実装された電子部品の熱が奪われて冷却される。

密閉空間Ｓ内で加熱された水は、密閉空間Ｓ内の圧力に基づく温度で気化される。つまり、密閉空間Ｓが大気圧である場合には水は約１００℃で沸騰して気化するが、密閉空間Ｓが減圧されている場合には、水の沸点が低くなる。本実施形態では、密閉空間Ｓ内の圧力を、水が約６０℃で沸騰する程度の圧力まで減圧させているため、密閉空間Ｓ内では、水は約６０℃で気化される。なお、この場合、密閉空間Ｓの圧力は、密閉空間Ｓ内で水蒸気が発生した状態で、水が約６０℃の温度で沸騰する圧力に設定されている。

密閉空間Ｓ内で気化された水、すなわち水蒸気は、密閉空間Ｓ内で広がってグローブ６内面に達するとともに内側ドーム５の外面に達する。内側ドーム５の内側、すなわち発光モジュール２が取り付けられた空間は、発光モジュール２の発熱により比較的高温になっているため、水蒸気の熱が内側ドーム５に伝えられることは殆ど無い。

一方、グローブ６の外側は大気に開放されており雰囲気温度であるため、少なくとも６０℃より相当低い温度であることが予想される。すなわち、グローブ６の内面に達した水蒸気は、外気温との間の温度差によって液化する。このとき、グローブ６に水蒸気から熱が伝えられてグローブ６が加熱される。つまり、この場合、グローブ６が放熱体として機能することになる。

このようにしてグローブ６に伝えられた熱は、その外面から大気中に放熱され、グローブ６の内面で液化された水は、放熱ケース３から伝えられる熱によって再び加熱され、６０℃に達した時点で再び気化される。つまり、密閉空間Ｓ内の水は、その状態を気体と液体との間でめまぐるしく変化させながら循環され、発光モジュール２および電子部品の熱をグローブ６へ伝える。

図５には、本実施形態のＬＥＤランプ１を点灯させてからしばらく経って熱が飽和した状態におけるＬＥＤランプ１の熱分布を示してある。比較のため、図６には、密閉空間Ｓ内に封入した水を取り除いた場合におけるＬＥＤランプ１の熱分布を示してある。

図５に示す本実施形態のＬＥＤランプ１によると、発光モジュール２が僅かに高温（約８０℃）になっている以外、全体的に７０℃程度まで冷却されているのが分かる。特に、本実施形態では、グローブ６が放熱体として良好に機能しているのが分かる。これに対し、図６の比較例では、放熱ケース３だけが１００℃を大幅に超える高温になっており、発光モジュール２が殆ど冷却されていないのが分かる。つまり、図６の例（水を封入しない場合）では、放熱ケース３のサイズが不十分であり、発光モジュール２の使用寿命も短くなることが予想される。

以上のように、本実施形態によると、内側ドーム５とグローブ６との間の密閉空間Ｓ内に少量の水を封入して減圧したため、水の潜熱効果を利用してグローブ６に熱を良好に伝えることができ、比較的表面積の大きなグローブ６を放熱体として機能させることができる。このため、例えば、図５に示すように、ＬＥＤランプ１全体を効果的に冷却することができ、発光モジュール２の放熱性を高めることができる。特に、本実施形態によると、発光モジュール２の温度が飽和した状態で８０℃程度に抑えられており、使用寿命に悪影響を及ぼす心配がない。

また、一方で、本実施形態によると、グローブ６を放熱体として機能させることができるため、従来のように放熱ケース３を必要以上に大きくする必要がなく、設計の自由度を高めることができる。このため、本実施形態によると、グローブ６の大きさや形状も自由に設計可能となり、所望する配光特性を容易に得ることができ、良質な照明光を提供できる。

また、本実施形態では、グローブ６の内側に発光モジュール２を覆う内側ドーム５を配置した２重管構造を採用したため、内側ドーム５を通過する光を拡散させることができ、より斑のない良好な光を放出できる。また、内側ドーム５を設けることで、グローブ６の中心に光源を配置することができ、全方向に均一な光を放出させることができ、広配光が可能となる。

なお、本実施形態では、グローブ６の中に内側ドーム５を取り付けてこれらグローブ６と内側ドーム５との間の密閉空間Ｓに水を封入して減圧したが、内側ドーム５は必須の構成ではなく、条件によっては省略することもできる。つまり、内側ドーム５を省略して、グローブ６内を密閉空間Ｓとすることもできる。

この場合、密閉空間Ｓ内に封入した水が発光モジュール２に直接作用するため、発光モジュール２を完全に防水する必要がある。このように、内側ドーム５を省略すると、発光モジュール２から発生した熱を直接的にグローブに伝えることができ、放熱性をより高めることができる。また、当然のことながら、内側ドーム５を省略した分、装置構成を簡略化でき、製造コストを低減できる。

さらに、上述した実施形態では、ＬＥＤランプ１の向きについて言及していないが、本実施形態のＬＥＤランプ１はあらゆる方向に取り付けて使用することができる。例えば、図示の向き（口金４が下）で使用する場合、密閉空間Ｓ内の水は放熱ケース３の露出部位に接触して溜まり易いため、水を加熱し易く気化し易い。

これに対し、ＬＥＤランプ１を転地逆転した向き（口金４が上）で使用すると、密閉空間Ｓ内の水が重力によりグローブ６の頂部に溜まることが想定される。しかし、本実施形態のＬＥＤランプ１は、図５を用いて説明したように、ランプ全体を均一な温度に制御できるため、水がランプのどの部位に接触していても同じように気化させることができ、ランプの向きに係らず同じ条件で放熱機能を働かせることができる。

以上述べた実施形態の照明器具によれば、グローブ６で密閉した空間Ｓに液体を封入して減圧したため、発光モジュール２の放熱性を高めることができ、ＬＥＤランプ１の光出力を十分に高めることができ、所望する配光特性を得ることができた。

上述した実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

例えば、ＬＥＤランプ１を図示の姿勢から転地逆転させた状態で使用することを想定して、グローブ６の内面に水が濡れ拡がり易くなるような毛細管状の加工を施しても良い。つまり、グローブ６の頂部の近くに溜まった水を毛細管現象を利用してグローブ６の内面に濡れ拡げて、放熱ケース３が露出した部位まで水を吸い上げるように、グローブ６の内面に細長い溝を形成しても良い。

１…ＬＥＤランプ、２…発光モジュール、３…放熱ケース、３ｂ…基板載置面、４…口金、５…内側ドーム、６…グローブ。

Claims (9)

1. 放熱体と、
   この放熱体上に伝熱可能に形成された発光モジュールと、
   この発光モジュールを覆い、上記放熱体との間に標準気圧未満の密閉空間を形成する透光性のグローブと、
   上記密閉空間に封入された液体と、
   を備える照明器具。
2. 上記発光モジュールは、発光ダイオードを用いたものであり、
   上記密閉空間内の圧力は、当該密閉空間内に封入した液体が６０℃以上７０℃以下で気化する圧力に設定されている請求項１の照明器具。
3. 上記液体は透光性を有する請求項１または請求項２の照明器具。
4. 上記発光モジュールを点灯させる点灯回路をさらに有し、
   この点灯回路は、上記放熱体に接触して設けられている請求項１の照明器具。
5. 上記グローブの内面には、液体が濡れ拡がり易い毛細管状の加工がなされている請求項１の照明器具。
6. 上記グローブの内側で上記発光モジュールを囲んで密閉した透光性のドームをさらに有し、上記グローブと上記ドームの間に上記密閉空間を備える請求項１の照明器具。
7. 上記ドームが上記発光モジュールを密閉した空間の気圧はほぼ標準気圧である請求項６の照明器具。
8. 上記ドームに光拡散部材を用い、このドームの頂部が上記グローブの内部に位置する請求項６または請求項７の照明器具。
9. 上記液体は水である請求項１乃至８のいずれかに記載の照明器具。

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