JP2013125679A - Ｌｅｄランプ、ランプユニットおよびこれらを用いた信号灯器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同じ形状のランプユニットに使用でき、さらに放熱効率が高いＬＥＤランプなどを提供する。
【解決手段】ＬＥＤを覆うように設けられるグローブ１３に通気部１７を有することを特徴とするＬＥＤランプ１である。通気部１７は、ＬＥＤ基板５に設けられても良い。さらに、このＬＥＤランプを、略椀型の反射板と、前記反射板の前面を覆う前面レンズと、前記反射板の中央部に、取付金具を介して取り付けられたソケットと、前記取付金具に取り付けられる伝熱パッドと、を具備し、前記伝熱パッドの周縁部が、前記反射板と前記取付金具との間にはさみこまれており、前記ＬＥＤランプの前記放熱フィンが、前記伝熱パッドに接触することを特徴とするランプユニットに用いることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、主に交通信号灯に用いられる、複合放熱方式による冷却機構を具備するＬＥＤランプなどに関するものである。

交通信号灯は、その使用目的である交通安全の確保のために、確実に、長寿命に動作し続けなければならない。

近年、電球に代わって、交通信号灯に発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、ＬＥＤ）が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。交通信号灯の確実な動作を確保するためには、ＬＥＤを適切な温度範囲で駆動する必要がある。したがって、ＬＥＤランプの放熱機構を検討し、ＬＥＤの温度が過度に上昇しないようにする必要がある。

一方、ＬＥＤ以外の電球を用いていた交通信号灯の電球を、ＬＥＤに交換する場合、灯箱ごと交換することも考えられるが、コストや工事の手間の削減のために、従来の電球を使用していたこれまでの灯箱やランプユニットをそのまま使用し、内部の電球部分だけ交換することが行われることが多い。したがって、従来型のランプユニットにおいてもＬＥＤの熱を放熱できるようにする必要がある。

ＬＥＤに順方向バイアスを与え、電流を通じると、そのＰＮ接合部において注入されたキャリアの自由電子と正孔との再結合により放出されたエネルギーは、光に変換され、発光を生じる。発光量は注入され再結合する自由電子と正孔の量に比例する。電流は毎秒当たりのキャリア注入量であることから、電流量と発光量は比例関係となる。
ＬＥＤ発光は、図１２（ａ）に示すＬＥＤの電圧電流特性の順方向に電流を通じ、ＰＮ接合部の活性領域において注入されたキャリアの再結合により生じる。注入を可能にするためには外部より拡散電位ほどの順方向電圧をＬＥＤの端子間に印加することを要し、この電圧値は立ち上がり電圧と呼ばれる。この電圧値を超える電圧における電流の特性は、わずかな電圧増加に対して電流が急増し、定電圧特性に近い形となる。

したがって、発光状態における１個のＬＥＤは、ほぼ立ち上がり電圧に等しい素子電圧値と電流値との積の電力を消費し、Ｎ個を使用するランプではそのＮ倍となる。消費電力量のうち、光に変換される量はわずかであり、ほとんどが熱となる。
この発熱は、ＬＥＤ自身を自己加熱し、その温度を高めることとなる。そのため、発光を安定に継続するためには放熱を行い、ＬＥＤの冷却が必要である。すなわち、目的とする安定で長寿命なＬＥＤランプとするには、通電によりＬＥＤから生じる発熱による温度上昇とそれに対する冷却のための放熱機構の熱平衡を総合的に検討しなければならない。

ＬＥＤは半導体電子デバイス固有の温度に敏感な性質を持つため、図１２（ｂ）に示すように、適切に動作できる周囲温度に上限値がある。さらに周囲温度に対して通電可能な電流量にも上限値があり、それらが囲う許容される動作範囲はＬＥＤメーカから指定されており、周囲温度および使用電流値はこの領域内の諸値にとどめなければならない。

実際の使用においてＬＥＤの周囲温度は、置かれている外部環境温度に、発熱による上昇温度分を加算した値となる。
したがって、高い外部環境温度中において使用されるＬＥＤランプ機器にあっては、外部環境温度が高くなるほど許容される発熱による温度上昇分は少ない。ここに放熱による冷却の重要性が存在する。
冷却を効果的に行うことができるなら、発熱による温度上昇分を減少させられることとなり、ＬＥＤ点灯動作を許容される動作範囲内におくことができ、適切な点灯動作を得る。
また、電子部品の集合体である電子機器においては高温度での作動は寿命に好ましくない影響を与えることは周知のことであり、冷却が効果的に行われ、適切な温度に下げることは極めて重要な装置構成の技術である。
すなわち、本発明方式による有効な放熱方式の冷却方法は、車両用交通信号灯器に用いるＬＥＤランプにおいて極めて重要な技術となる。

従来の車両用交通信号灯器５１の灯箱５３の外観を図１５に示す。図１５（ａ）が示すとおり、信号灯器５１は、通常３個の青、黄、赤のランプユニット１０１が並んで設置された灯箱５３を有する。また、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のＢ−Ｂ’断面図であり、灯箱５３の内部にランプユニット１０１を設けている。ランプユニット１０１内にはＬＥＤランプ１０３が設けられ、信号灯器５１の前方に信号色光５５を照射している。

ＬＥＤランプ１０３は、ランプユニット１０１への取り付け形態から明らかなように、道路上の車両に信号色の光を発するために、ＬＥＤランプ１０３の光軸を若干下向きで、水平に近い横向きの状態において使用されることが多い。

車両用交通信号灯器において、ＬＥＤランプはランプユニットの中に密閉され、光軸をほぼ水平状態に装着される。ランプユニットの密閉状態の中に置かれたＬＥＤランプが通電発光を開始した状態を考察する。ＬＥＤランプより発する光は外部に放射されるが、ＬＥＤ発光動作およびＬＥＤ駆動電源回路などにおける電力消費により発生した熱はＬＥＤランプを加熱し始める。さらに、その熱は閉じた空間のランプユニット内にこもり、その後に外部環境へ伝導し放熱され流れ出ることとなる。

したがって、ランプユニット内から外部環境へ速やかに放熱して内部を冷却する有効な手段を持つことが要求され、その手段を欠いては内部温度上昇がＬＥＤランプの安全動作を困難にし、寿命に悪影響を及ぼす。特に夏季における高い外気温度の環境に対する考慮が必要であり、応答の速く、確実性を高めた冷却機構を備えなければならない。

一方、一般用照明光源は、天井などから吊り下げられて垂直状態で使用される。また、ＬＥＤランプが外部環境に開放された空間で使用されることが多い。そのため、ＬＥＤランプで発生した熱は、ＬＥＤランプの上方への空気の対流を発生させ、ＬＥＤランプは常に空間の温度とほぼ等しい空気で冷却し続けられることとなる。したがって、交通信号灯器用光源には、一般用照明光源とは異なる方式による冷却方法が必要である。

図１６は、従来のＬＥＤランプ１０３が取り付けられたランプユニット１０１の構成を示す図である。ＬＥＤランプ１０３は、光の拡散とカバーの機能を持つグローブ１０５と、ＬＥＤ３と、複数のＬＥＤ３を固定した金属円板のＬＥＤ基板５と、ＬＥＤ基板部背面の中央部に設けられる電源回路７を内包する部屋部９と、部屋部９につながるプラグ１５とを有する。また、ＬＥＤ基板５の部屋部９の外周円環部の背面より垂直に伸びて多数配置された冷却用の放熱フィン１１が放熱器を構成している。ＬＥＤランプ１０３は、取付金具３１が設けられたソケット３３に取り付けられており、ソケット３３の電源コード３５を介してＬＥＤランプ１０３には電力が供給される。ＬＥＤランプ１０３をソケット３３に締め付けて装着した後、取付金具３１は、略お椀状の反射板２５の後部から挿入され固定される。従来の技術においては、放熱器である放熱フィン１１の後部端と取付金具３１との間には、ランプ取り付け余裕と熱を運ぶ空気を通じる目的からすき間が設けられている。

ランプユニット１０１の前部には、前面レンズ２３が取り付けられ、ランプユニット１０１内部は密閉状態となっている。この状態でランプユニット１０１は図１５に示した車両用交通信号灯器５１の灯箱５３に取り付けられている。

ＬＥＤランプ１０３が点灯し、ＬＥＤランプ１０３を主とする熱源から発生した熱の散逸経路は以下のようになる。まず、ＬＥＤランプ１０３のＬＥＤ３や電源回路７から発生した熱は、ＬＥＤ基板５や部屋部９に伝導され、さらに放熱器である放熱フィン１１に伝導し、放熱器に接する空気を加熱し、熱は空気に伝達される。また、部屋部９の外側部も放熱器として空気に接して放熱している。
放熱器により加熱されて温度を高めた空気は密度を減じ、軽くなって上昇する。このため、その空間部の圧力が下がり、そこに下部の新しい空気が寄せられ加熱されるので、放熱動作は継続される。また、ランプユニット１０１内の空気は、空気の流れ２７ｂに示す方向に対流する。

放熱器より上昇する温度の高い空気は、大きな表面積を持つランプユニット１０１の後部の反射板２５と接する。反射板２５の外面は、灯箱５３内部の外気温度の空気に接していることから、熱の流れ２９ｂに示すとおり、内部の温度の高い空気が持つ熱は反射板２５を通じて外気温度の空気に伝えられ、ランプユニット１０１内部の空気が冷却される。温度を下げた空気はランプユニット内を循環し、再び放熱フィン１１で加熱されて熱を運び去る。このようにして放熱器による放熱動作を主とする冷却機構によってＬＥＤランプ１０３が冷却される方法が、従来の方法であり、現在のＬＥＤランプに多用されている。

特開２０００−２９４００２号公報

しかしながら、より高度な安全性と信頼性を持つ車両用交通信号灯器用ＬＥＤランプを実現する目的では、高い周囲温度においても許容される温度の動作範囲を広く確保し、また、ＬＥＤの自己加熱による温度上昇分を少なくすることが望まれる。しかし、ランプユニットに適合するランプの物理的大きさによる限定、およびランプユニット内の空間容積による限定によって、単純に放熱器の大きさを拡大する解決法では、これ以上の冷却は難しいという問題点があった。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたもので、その目的とすることは、従来と同じ形状のランプユニットに使用でき、さらに放熱効率が高いＬＥＤランプなどを提供することである。

前述した目的を達成するために、以下の発明が提供される。
（１）ＬＥＤと、前記ＬＥＤが取り付けられたＬＥＤ基板と、前記ＬＥＤ基板の背面中央部に設けられ、前記ＬＥＤに電力を供給するＬＥＤ電源回路が格納される部屋部と、前記ＬＥＤ基板の背面に設けられる放熱フィンと、前記ＬＥＤ基板の前面に、前記ＬＥＤを覆うように設けられるグローブと、前記部屋部に設けられるプラグと、を具備し、前記グローブまたは前記ＬＥＤ基板に、通気部を有することを特徴とするＬＥＤランプ。
（２）略椀型の反射板と、前記反射板の前面を覆う前面レンズと、前記反射板の中央部に、取付金具を介して取り付けられたソケットと、前記取付金具に取り付けられる伝熱パッドと、前記ソケットに螺合したプラグと放熱フィンとを備えた本体の前面にＬＥＤが備えられたＬＥＤランプと、を具備し、前記伝熱パッドの周縁部が、前記反射板と前記取付金具との間にはさみこまれており、前記ＬＥＤランプの前記放熱フィンが、前記伝熱パッドに接触することを特徴とするランプユニット。
（３）前記伝熱パッドが、複数のアルミホイルを積層して構成されることを特徴とする（２）に記載のランプユニット。
（４）前記伝熱パッドが、前記周縁部に加えて、中央部周辺においても、前記取付金具に接触することを特徴とする（２）または（３）に記載のランプユニット。
（５）前記伝熱パッドは、周縁部に折り返し部を有し、前記折り返し部が、前記取付金具により前記反射板に固定されることを特徴とする（２）〜（４）のいずれかに記載のランプユニット。
（６）（２）〜（５）のいずれかに記載のランプユニットが、灯箱の内部に収納されたことを特徴とする信号灯器。

本発明により、従来と同じ形状のランプユニットに使用でき、さらに放熱効率が高いＬＥＤランプなどを提供することができる。

本発明に係るＬＥＤランプ１の斜視図。 本発明に係るＬＥＤランプ１のＡ部分の拡大斜視図 （ａ）本発明に係るＬＥＤランプ１の断面図、（ｂ）（ａ）のＡ部分拡大図。 （ａ）本発明に係るＬＥＤランプ１ａの断面図、（ｂ）（ａ）のＡ部分拡大図。 ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの分解斜視図。 ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの分解側面図。 （ａ）伝熱パッド４３の断面図、（ｂ）ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの組立断面図。 ランプユニット４１の組み立て図。 組み立て後のランプユニット４１の斜視図。 ランプユニット４１の断面図。 熱伝導による熱の流れを図示する伝熱パッド４３周辺の拡大図。 （ａ）ＬＥＤの電圧電流特性、（ｂ）ＬＥＤの周囲温度−許容順電流特性。 ＬＥＤランプの発熱と温度の過渡応答モデル。 実施例１、２と比較例１の基板部温度上昇の測定結果。 （ａ）車両用交通信号灯器の斜視図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ’断面図。 従来のＬＥＤランプ１０３の断面図。

以下図面に基づいて、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＬＥＤランプ１を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ部分の拡大斜視図であり、図３（ａ）はＬＥＤランプ１の断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ部分拡大図であり、図４（ａ）はＬＥＤランプ１ａの断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ部分拡大図である。

ＬＥＤランプ１は、ＬＥＤ３が取り付けられたＬＥＤ基板５と、ＬＥＤ基板５の背面中央部に設けられ、ＬＥＤ３に電力を供給する電源回路７が格納される部屋部９と、ＬＥＤ基板５の背面に設けられる放熱フィン１１と、ＬＥＤ基板５の前面に、ＬＥＤ３を覆うように設けられるグローブ１３と、部屋部９の先に設けられるプラグ１５と、を有する。また、グローブ１３には、グローブ１３内に冷却用の空気が流入することが可能な、通気部１７が設けられている。

ＬＥＤ基板５は、円板状のアルミプレートであり、電源回路７は、プラグ１５から供給される交流電圧を直流に変換し、ＬＥＤ３の作動電圧になるように調節し、ＬＥＤ３に印加する。部屋部９は、電源回路７を格納する中空のアルミ製の筒状体であり、放熱フィン１１は、ＬＥＤ基板５の背面より垂直に伸びて多数配置された冷却用の金属板である。また、部屋部９の外側部も放熱器として空気に放熱している。なお、ＬＥＤ基板５、部屋部９、放熱フィン１１は、アルミニウム以外の材料を用いてもよい。プラグ１５は、後述するソケット３３に螺合するとともに、ソケット３３から供給される電力を電源回路７に伝える。プラグ１５は、従来の信号灯の電球と互換性のある形状である。また、ＬＥＤ基板５、電源回路７、部屋部９、放熱フィン１１、プラグ１５等を合わせてＬＥＤランプの本体とも呼ぶ。

通気部１７は、グローブ１３に設けられた、グローブ１３内に冷却用の空気の通気が可能な部分である。例えば、図１〜図３においては、通気部１７は、グローブ１３のＬＥＤ基板５へ取り付ける部材である脚部１９以外のグローブ１３の周縁部を切り欠くことにより設けられた、グローブ１３とＬＥＤ基板５との間のすき間である。この通気部１７を通じて、発熱源のＬＥＤ３の発光面部と基板部に接触する空気を送り、空気に熱を伝えて放熱して冷却する。図１〜図３においては、グローブ１３の端面に脚部１９を設けることによりグローブ１３とＬＥＤ基板５との間に間隙を形成し、通気部１７を形成したが、脚部１９を設けなくともグローブ１３の一部をくり抜いた貫通孔を通気部１７としてもよい。または、図４（ａ）、（ｂ）に示すＬＥＤランプ１ａのように、ＬＥＤ基板５の外周部のグローブ１３の内側に、貫通孔１８を多数あけることで通気部１７としても良い。
なお、ＬＥＤランプ１は、密閉されたランプユニット４１内に設置されるため、外気の塵芥がＬＥＤ３に付着して、故障の原因となることはほとんどない。一方、一般用照明光源は、ＬＥＤランプ自体が外気に露出することもあるため、通気部を設けると故障の原因となる。

図５〜図９を用いて、ＬＥＤランプ１のランプユニット４１への取り付け方法を説明する。図５は、ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの分解斜視図であり、図６は、ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの分解側面図であり、図７（ａ）は伝熱パッド４３の断面図であり、図７（ｂ）は、ＬＥＤランプ１と伝熱パッド４３とソケット３３などの組立断面図であり、図８は、ランプユニット４１の組み立て図であり、図９は、組み立て後のランプユニット４１の斜視図である。

図５、図６に示すように、まず、ＬＥＤランプ１をソケット３３に螺合させる。
ソケット３３には取付金具３１が設けられている。また、取付金具３１とＬＥＤランプ１の間に伝熱パッド４３を挟んで締め付ける。

取付金具３１は、後述する略椀状の反射板２５の中央部に設けられた取付孔４７にはまり込む金具であり、後述する連結具４６により反射板２５に固定される。また、ソケット３３は、取付金具３１にネジ等で固定されている。

ソケット３３は、内部にプラグ１５と螺合する金具を有すると同時に、電源コード３５から供給される電力をプラグ１５へ供給する。

図７（ａ）に示すように、伝熱パッド４３は、金属などの熱伝導性の高い材料で形成された、断面コの字型で、中央部に部屋部９が通る貫通孔が設けられた柔軟性と弾力性を持つ厚めの円板状の部材である。伝熱パッド４３の中央部の貫通孔周辺は、取付金具３１に密着するようにふくらみ、柔軟性を有する接触部４４を形成し、周縁部には、反射板２５の取付孔４７の筒部分にかみ合うような折り返し部４５が設けられている。

伝熱パッド４３を挟み込んで、ＬＥＤランプ１をソケット３３に螺合させた後の組立断面図が図７(ｂ)である。伝熱パッド４３は、ＬＥＤランプ１の放熱フィン１１の背面に接触する。さらに、伝熱パッド４３の周縁部は、取付金具３１と反射板２５との間に密着させて挟まれる。また、折り返し部４５が取付金具３１により反射板２５の取付孔４７の筒部分にかみ合うように押さえつけられて密着する。また、伝熱パッド４３の接触部４４は、取付金具３１に密着する。すなわち、伝熱パッド４３は、放熱フィン１１と、取付金具３１または反射板２５との間を熱的に接続する。

伝熱パッド４３は反射板２５と同じまたは近い値の熱膨張係数を有する材料を用いる。反射板２５がアルミニウム製であるため、伝熱パッド４３は、複数のアルミホイルを積層して構成されることが好ましい。複数のアルミホイルを積層して構成された伝熱パッド４３は、アルミニウムの熱伝導性が高い上、ある程度の柔軟性があり、放熱フィン１１や反射板２５、取付金具３１に密着するため、放熱フィン１１の熱を効率よく反射板２５に伝えることができる。また、伝熱パッド４３は、折り返し部４５により反射板２５に押し付けられて固定されるため、ＬＥＤランプ１を振動の多い信号灯に用いても、伝熱パッド４３が脱落することはない。なお、伝熱パッド４３は、放熱フィン１１やＬＥＤ基板５と一体として設けられていてもよい。

次に、図８に示すとおり、ソケット３３と取付金具３１と伝熱パッド４３とを取り付けたＬＥＤランプ１を、前面レンズ２３を有する反射板２５の中央孔部の取付孔４７に入れる。次に、図９に示すとおり、連結具４６で取付金具３１の後端部を固定し、ＬＥＤランプ１などが反射板２５に固定され、ランプユニット４１が作られる。

図１０は、本発明に係るランプユニット４１を示す断面図である。ランプユニット４１は、略椀型の反射板２５と、反射板２５の前面を覆う前面レンズ２３と、反射板２５の中央部に取付金具３１により取り付けられたＬＥＤランプ１と、ＬＥＤランプ１と取り付けるソケット３３と、ソケット３３を反射板２５に取り付ける取付金具３１と、ソケット３３から伸びる電源コード３５とを備える。

反射板２５は、ＬＥＤランプ１から発せられた光を前方に反射するための略椀状の部材であり、通常は金属製である。前面レンズ２３は、無色透明なレンズであるかカラーレンズであり、その素材は、光の透過率が高く、屋外での長期使用に耐えられるよう、紫外線や温度変化に対して安定なものが良い。

取付金具３１は、反射板２５に中央部に設けられた取付孔４７にはまり込む金具であり、反射板２５に固定される。また、ソケット３３は、取付金具３１にネジ等で一体化されている。ソケット３３は、内部にプラグ１５と螺合する金具を有すると同時に、電源コード３５から供給される電力をプラグ１５へ供給する。

次に、ランプユニット４１における熱の流れについて説明する。ＬＥＤランプ１で発生した熱は、図１０の空気の流れ２７ａのように放熱フィン１１を介して空気に熱を伝えて空気が上昇する気流に加えて、ＬＥＤ３から、通気部１７を通じてグローブ１３の内部に入った空気に熱を伝えて空気が上昇する。
ＬＥＤ３の表面で高温度となった空気がすき間部の上部からグローブ１３の外部に出る際に、背面部の放熱器を通過して出てきた高温度の上昇空気流が作る気圧の低下部にて合流することとなり、それによって吸い出される効果が期待できる。
つまり、ランプユニット４１では、従来のランプユニット１０１における空気の流れとは別に、グローブ内を通る空気の流れがあるため、ＬＥＤ基板５の表側の面でも放熱することができる。

なお、グローブ１３をＬＥＤ基板５に密着させることなく、通気部１７を設け、ＬＥＤ３の発光面部を空気流にさらす構造が可能な理由は、交通信号ランプは光軸を水平に近い状態でのみ使用すること、またランプユニット自身が密閉した構造であり、塵埃や結露による影響の恐れがないためである。

ランプユニット４１は、空気の流れ２７ａによる放熱に加えて、放熱フィン１１から伝熱パッド４３を介して反射板２５などへの熱伝導による放熱を行う。図１１は、熱伝導による熱の流れ２９ａを図示する、伝熱パッド４３の周辺の拡大図である。ＬＥＤ基板５から最も多量に熱を取り出せる経路は、ＬＥＤ基板５の背面に設けた多数の放熱フィン１１からなる放熱器であることから、これらを更に、ＬＥＤランプ１の後方に配置されたランプユニット構成要素への熱伝達経路に応用する。その熱伝達機能を高める目的で、放熱フィン１１の放熱器の後端に熱伝導を目的とする伝熱パッド４３を接触させている。伝熱パッド４３は、積層アルミホイルなどから作られ、柔軟な材質によって必要な変形を許す構造である。これによりランプユニット後端部空間を埋め尽くす形状となって、良好に熱伝導する。ＬＥＤランプ１から発生した熱は、放熱フィン１１から伝熱パッド４３を通じて、ランプユニット４１の反射板２５と取付金具３１に伝えられる。さらに、反射板２５と取付金具３１から、ランプユニット４１の外側にある外部温度の空気へ熱を逃がすことができる。

ここで、熱の伝達に重要な役割を果たすのが伝熱パッド４３の周縁部である。ランプユニット４１は、反射板２５の中央にＬＥＤランプ１を組み付けた取付金具３１をはめ込む構造であるため、反射板２５へ取付金具３１をはめ込み接合する際に、両者の円筒形状の部分の間に生じる隙間に、伝熱パッド４３の薄い周縁部を挟み込み、両者を密着させて組み付けることができる。したがって、すき間を伝熱パッド４３の柔軟で熱伝導の良好な周縁部で埋めることになり、熱は放熱フィン１１から、ランプユニット４１の金属の反射板２５および取付金具３１に効率よく導かれ、新たな放熱の経路が加えられる。

これらの外気に接する反射板２５、取付金具３１は放熱器として働き、特に反射板２５は、極めて広い表面積を持つ放熱器となり有効な冷却機能を持つ。放熱フィン１１と接触する伝熱パッド４３の広い面積は平板放熱器としても併存機能し、一層の放熱の能率を高める。

すなわち、本実施の形態においては、グローブ１３に通気部１７を有するため、グローブ１３内を通る空気の流れがあり、ＬＥＤ基板５の表側の面でも放熱することができ、高い放熱性能を持つ。
また、本実施の形態においては、伝熱パッド４３を有するため、熱の伝達に空気を媒体とすることなく、熱伝導の良好な金属を連ねた経路を通じて、発熱源から、ＬＥＤランプの放熱フィン、さらにランプユニット構成要素まで熱を伝導する放熱経路を加えた構成であることを特徴とし、高い放熱性能を持つ。

以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
［実施例１］
赤色発光ＬＥＤ１２個を基板部に表面実装し、グローブ、放熱フィンおよび駆動電源部を内装したＬＥＤランプを用いる。このＬＥＤランプの全消費電力は９Ｗである。半球状のグローブには、高さ４ｍｍのすき間からグローブ内に空気が流入できる。すき間を設けることによる効果を調べる。このＬＥＤランプを、前面プラスチック製レンズの装着された、アルミニウム製の椀型の反射板を用いたランプユニットに取り付けた。

［実施例２］
アルミホイルを積み重ねた伝熱パッドを放熱フィンに接触するように設け、さらに伝熱パッドの周縁部が取付金具と反射板の間に挟み込み、伝熱パッドの貫通孔周辺の接触部が取付金具に密着するようにＬＥＤランプを設けた点以外は実施例１と同様にしてランプユニットを得た。

［比較例１］
通気部を設けず、密閉状態になるようにしたグローブを用いた点以外は実施例１と同様にしてランプユニットを得た。

これらのＬＥＤランプを装着したランプユニットを、温度制御のできる恒温槽内に、ランプの光軸が水平になるように設置し、環境温度３５℃一定の条件のもとで測定した。ランプのＬＥＤ基板の金属表面に固定した熱電対により、ＬＥＤ基板の温度を計測し、実施例など３種類のランプユニットについて点灯後におけるＬＥＤ基板の温度の上昇の過渡応答を得た。

［温度上昇のシミュレーションと冷却効果の評価方法］
一定の温度の環境中において、車両用信号灯器のランプユニットに取り付けられたＬＥＤランプに関して、内部の電力消費による発熱と温度変化をモデル化する。
このモデルにおいて、ＬＥＤランプ全体を一体化して考えるとし、以下の各物理量を定義する。
ＬＥＤランプの諸量を、
消費される電力Ｐ［Ｗ］
熱容量Ｃ［Ｊ／Ｋ］
放熱係数Ｈ［Ｊ／Ｋ・ｓ］
温度Ｔ［Ｋ］とし、
外気の環境温度をＴ_０［Ｋ］とする。
ここで、放熱係数ＨはＬＥＤランプの全放熱経路を通じての総合した放熱の能力を表す係数として定義した。Ｈの値が大きければ速やかに熱は散逸、放熱され、冷却の効果により温度上昇は低減されることを表し、放熱能力は高い。
このモデルを用いて、Δｔ時間における熱の関係式は、ΔＴをΔｔ時間内における温度上昇として、次式により表される。

これを整理して熱と温度の時間ｔに関する微分方程式を得る。

環境温度Ｔ_０＝一定、時間ｔ＝０において、一定量の電力Ｐの供給を始めた場合、ＬＥＤランプの温度がどのように変化するかは、（２）式にこれらの条件を与えて解くことから求められる。温度の過渡応答は（３）式となり、その様子を図１３に示す。

（３）式より、温度は右辺第二項の外気の環境温度に右辺第一項の時間とともに増す温度上昇分が加算される値で現れる。このため、ＬＥＤに許される周囲温度には上限があることから、高い外気温度中の使用では上限温度値までの上昇可能となる温度変化分は少なくなることが確認される。既述のように放熱機構の改善でより冷却を速めて温度上昇を減じることが本発明の目的となる。
放熱の能力を表す放熱係数Ｈの値によって応答曲線がどのように変化するかを考察する。（３）式の右辺第一項であるＨは値が大きくなると時定数は小さくなって応答を速める。また、右辺第一項の係数の分母にあるＨは温度上昇分の定常値を決める。すなわち、放熱係数Ｈの値を大きくすることができれば温度上昇分を減らせる。
すなわち、放熱の効果が温度の高まる定常値に現れ、観測データから容易に読み取れるので、温度上昇分の定常値における高低の程度を用いて放熱方法の評価に使用できる。ここでは、この方法を実験結果の比較評価に用いることとした。

［実施例１、２、比較例１の基板部温度上昇の測定結果］
ＬＥＤランプのＬＥＤ基板温度上昇に関する過渡応答実験結果について、実施例１、２、比較例１の比較を行えるように同一のグラフ中に記載し、図１４に示した。各方式の放熱能力の比較評価は、温度上昇分の定常値を比較することで行う。

従来の比較例１に対し、実施例１では、定常温度は３℃ほど下げられて放熱能力を増しているが、ＬＥＤ基板表面部の放熱面積拡大は難しく効果は限定的となる。実施例２では、定常温度を８℃近く大きく減じることに成功しており、放熱経路における各要素の密着度を高めることで、さらに能力を増すことが可能である。

以上の実施例・比較例より、本発明に係る冷却機構を具備するＬＥＤ交通信号ランプの点灯動作は目的とする交通安全における信頼性を高め、又その技術は高温度の環境での性能維持、寿命の長期化に有効であると確信する。

以上、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しえることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１、１ａ………ＬＥＤランプ
３………ＬＥＤ
５………ＬＥＤ基板
７………電源回路
９………部屋部
１１………放熱フィン
１３………グローブ
１５………プラグ
１６………本体
１７………通気部
１８………貫通孔
１９………脚部
２３………前面レンズ
２５………反射板
２７………空気の流れ
２９………熱の流れ
３１………取付金具
３３………ソケット
３５………電源コード
４１………ランプユニット
４３………伝熱パット
４４………接触部
４５………折り返し部
４６………連結具
４７………取付孔
５１………信号灯器
５３………灯箱
５５………信号色光
１０１………ランプユニット
１０３………ＬＥＤランプ

Claims (6)

1. ＬＥＤと、
   前記ＬＥＤが取り付けられたＬＥＤ基板と、
   前記ＬＥＤ基板の背面中央部に設けられ、前記ＬＥＤに電力を供給するＬＥＤ電源回路が格納される部屋部と、
   前記ＬＥＤ基板の背面に設けられる放熱フィンと、
   前記ＬＥＤ基板の前面に、前記ＬＥＤを覆うように設けられるグローブと、
   前記部屋部に設けられるプラグと、を具備し、
   前記グローブまたは前記ＬＥＤ基板に、通気部を有することを特徴とするＬＥＤランプ。
2. 略椀型の反射板と、
   前記反射板の前面を覆う前面レンズと、
   前記反射板の中央部に、取付金具を介して取り付けられたソケットと、
   前記取付金具に取り付けられる伝熱パッドと、
   前記ソケットに螺合したプラグと放熱フィンとを備えた本体の前面にＬＥＤが備えられたＬＥＤランプと、
   を具備し、
   前記伝熱パッドの周縁部が、前記反射板と前記取付金具との間にはさみこまれており、
   前記ＬＥＤランプの前記放熱フィンが、前記伝熱パッドに接触することを特徴とするランプユニット。
3. 前記伝熱パッドが、複数のアルミホイルを積層して構成されることを特徴とする請求項２に記載のランプユニット。
4. 前記伝熱パッドが、前記周縁部に加えて、中央部周辺においても、前記取付金具に接触することを特徴とする請求項２または３に記載のランプユニット。
5. 前記伝熱パッドは、周縁部に折り返し部を有し、
   前記折り返し部が、前記取付金具により前記反射板に固定されることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のランプユニット。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載のランプユニットが、灯箱の内部に収納されたことを特徴とする信号灯器。

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