JP2013543223A - 軽量ヒートシンク及びこれを利用したｌｅｄランプ - Google Patents

Abstract

ヒートシンク（１０）は、ヒートシンク本体（１２）と、該ヒートシンク本体（１２）上に配置され、可視スペクトル光に対して９０％以上の反射率を有する反射層（２０４）と、該反射層（２０４）上に配置され、可視スペクトル光に対して光透過性である光透過性保護層（２０６）とを備える。ヒートシンク本体（１２）は、構造的ヒートシンク本体と、該構造的ヒートシンク本体上に配置される熱伝導層（２０２）とを備えることができ、熱伝導層（２０２）が、構造的ヒートシンク本体（１２）よりも高い熱伝導率を有し、反射層（２０４）が、熱伝導層（２０２）上に配置される。発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプは、上述したヒートシンクと、ヒートシンクに結合され、該ヒートシンクと熱伝達状態にあるＬＥＤモジュールとを備える。ＬＥＤ型ランプは、Ａ型電球構成を有すること、又は、ヒートシンクが中空光収集反射体を規定する指向性ランプを含むことができる。
【選択図】 図３

Description

（関連出願の説明）
本出願は、２０１０年９月３０日出願の米国仮出願第６１／３８８，１０４号の優先権を主張するものであり、その全ての開示内容は引用によって本明細書に組み込まれている。

（技術分野）
本発明は、照明技術、ライティング技術、半導体ライティング技術、熱管理技術、及びその関連技術に関する。

従来の白熱光源、ハロゲン光源、及び高輝度放電（ＨＩＤ）光源は、比較的高い動作温度を有し、結果として、熱放出は、放射熱伝達及び対流熱伝達経路により支配される。例えば、放射熱放出は温度の４乗に比例するので、放射熱伝達経路は、動作温度が上昇するにつれて、超線形的に支配的になる。従って、一般に、白熱光源、ハロゲン光源、及びＨＩＤ光源に対する温度管理は、効率的な放射熱伝達及び対流熱伝達にランプに隣接する十分な空気スペースを提供することを意味する。一般に、前述のタイプの光源では、ランプの所望の動作温度を達成するために、ランプの表面積を増やして又は変更して、放射熱伝達又は対流熱伝達を強化する必要はない。

一方、光発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプは、通常、デバイスの性能及び信頼性の理由から実質的に低い温度で動作する。例えば、通常のＬＥＤデバイスの場合、接点温度を２００℃未満にすべきであり、いくつかのＬＥＤデバイスでは１００℃未満又はそれよりもさらに低温にすべきである。この低い動作温度では、周囲に対する放射熱伝達経路は、従来の光源のものに比べて劣るので、通常、周囲に対する対流熱伝達及び伝導性熱伝達が放熱を支配する。ＬＥＤ光源では、ヒートシンクを追加することによって、ランプ又は照明器具の外面領域からの対流熱伝達及び放射熱伝達を強化することができる。

ヒートシンクは、ＬＥＤデバイスから外に熱を放射する及び対流によって移動させるための広い表面積を提供する構成要素である。一般的なデザインにおいて、ヒートシンクは、例えば、外面にフィン又は他の熱放散構造体を有することで広い工学的表面積を備える、比較的大きな金属要素である。大きな質量体のヒートシンクは、熱をＬＥＤデバイスから放熱フィンへ効率良く伝導し、放熱フィンの広い面積が放射及び対流による効率的な熱放出を可能にする。高出力ＬＥＤ型ランプの場合、ファン、又はシンセティックジェット、又はヒートパイプ、又は熱電クーラー、又はポンプ圧送冷却流体を利用した能動的な冷却を用いて、熱除去を強化することも知られている。

例示的な実施例として本明細書に開示されるいくつかの実施形態において、ヒートシンクは、ヒートシンク本体と、該ヒートシンク本体上に配置される可視スペクトル光に対して９０％を越える反射率を有する反射層と、該反射層上に配置される可視スペクトル光に対して光透過性である光透過性保護層とを含む。いくつかの実施形態において、ヒートシンク本体は、構造的ヒートシンク本体及び該構造的ヒートシンク本体上に配置される熱伝導層を含み、熱伝導層は、構造的ヒートシンク本体よりも高い熱伝導率を有し、反射層は熱伝導層上に配置される。

例示的な実施例として本明細書に開示されるいくつかの実施形態において、ヒートシンクは、ヒートシンク本体と、該ヒートシンク本体上に配置される鏡面反射層と、該鏡面反射層上に配置される光透過性保護層とを含み、光透過性保護層は、シリコン二酸化物（ＳｉＯ₂）層、シリカ層、プラスチック層、及びポリマ層から成る群の中から選択される。いくつかの実施形態において、ヒートシンク本体は、プラスチック又はポリマのヒートシンク本体であり、随意的に、銅層上に配置される鏡面反射層と共に、プラスチック又はポリマのヒートシンク本体上に配置される銅層を含む。

例示的な実施例として本明細書に開示されるいくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプは、前記の２つの段落のいずれかに記載したようなヒートシンク、及びヒートシンクに固定され、これと熱伝達状態にあるＬＥＤモジュールを含む。ＬＥＤ型ランプは、Ａ型電球の構成を有することができ、ＬＥＤモジュールによって照明されるディフューザをさらに含み、ヒートシンクは、ディフューザの内側又はディフューザの外側に配置されるフィンを含み、少なくともフィン上に反射層及び光透過性保護層を有することができる。ＬＥＤ型ランプは、ヒートシンクが中空光収集反射体を規定し、反射層及び光透過性保護層が中空光収集反射体の少なくとも内部表面上に配置される指向性ランプを含むことができる。いくつかの指向性ランプでは、ヒートシンクは、反射層を有し中空光収集反射体の内側に配置される内向きに延びるフィンを含むことができ、光透過性保護層は、少なくとも内向きに延びるフィン上に配置される。

例示的な実施例として本明細書に開示されるいくつかの実施形態において、発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプは、中空ディフューザと、中空ディフューザの内側を照明するように配置されたＬＥＤモジュールと、少なくとも一部のフィンが中空ディフューザの内側に配置される複数のフィンとを含むヒートシンクを備える。

例示的な実施例として本明細書に開示されるいくつかの実施形態において、指向性ランプは、比較的小さな入口開口及び比較的大きな出口開口を有する中空光収集反射体と、入口開口に光学的に連結された発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールを含むヒートシンクとを含み、ヒートシンクは、中空光収集反射体の内部表面から内向きに延びる複数のフィンをさらに含む。

金属ヒートシンク構成要素を用いた従来のヒートシンクに関する熱モデルを図式的に示す。 本明細書に開示するヒートシンクに関する熱モデルを図式的に示す。 ＭＲ又はＰＡＲランプにおいて適切に用いられるヒートシンクの側部断面図を示す。 ＭＲ又はＰＡＲランプにおいて適切に用いられるヒートシンクの側面斜視図を示す。 図３及び図４のヒートシンクを含むＭＲ又はＰＡＲランプの断面図を示す。 図５のＭＲ又はＰＡＲランプの光学的／電子的モジュールの側面図を示す。 軽量ヒートシンクを製造するための適切な製造プロセスのフローチャートを示す。 単純化された「スラブ」タイプのヒートシンク部（例えば、平坦な「フィン」）に関する、コーティング厚さ対等価熱伝導率のデータを示す。 バルク金属ヒートシンクに関する材料の熱伝導率の関数として温度性能を示す。 バルク金属ヒートシンクに関する材料の熱伝導率の関数として温度性能を示す。 本明細書に開示するヒートシンクを組み込んだ「Ａ型電球」ランプの側部断面図を示す。 ヒートシンクがフィンを含む図９の「Ａ型電球」ランプの変形例の側面透視図を示す。 フィン付き「Ａ型電球」ランプの追加の実施形態の側面斜視図を示す。 フィン付き「Ａ型電球」ランプの追加の実施形態の側面斜視図を示す。 同じサイズ及び形状のバルクアルミニウムヒートシンクと比較した場合の、銅めっきプラスチックヒートシンク本体を用いて本明細書に開示するように製造されたＰＡＲ３８ヒートシンクの重さ及び材料コストに関する計算結果を示す。 反射層及び該反射層上に配置される光透過性保護層を含むヒートシンク有する、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球の斜視図を示す。 反射層及び該反射層上に配置される光透過性保護層を含むヒートシンク有する、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球の別の斜視図を示す。 反射層及び該反射層上に配置される光透過性保護層を含むヒートシンク有する、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球の側面図を示す。 反射層及び該反射層上に配置される光透過性保護層を含むヒートシンク有する、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球の頂面図を示す。 反射層及び該反射層上に配置される光透過性保護層を含むヒートシンク有する、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球の底面図を示す。 円錐形反射体の内側に配置された反射型放熱フィンを有する指向性ランプの側部断面図を示す。 円錐形反射体の内側に配置された反射型放熱フィンを有する指向性ランプの正面図を示す。 図１６〜図２０のＡ型電球の形状と類似しているが、ディフューザで取り囲まれた内部フィンを有するＡ型電球の形状を有するランプの側面図を示す。 種々の光学的パラメータを示す。 例えば、本文に記載した異なるスケールにおける総熱流束対ＳｉＯ₂の厚さを示す。 例えば、本文に記載した異なるスケールにおける総熱流束対ＳｉＯ₂の厚さを示す。

白熱光源、ハロゲン光源、及びＨＩＤ光源の場合、これら光源の全ては、光の発熱体であり、光源の動作中の高い目標温度を実現するために、ランプに隣接する空間への熱伝達は、放射及び対流熱経路デザインによって管理する。これに対して、ＬＥＤ光源の場合、光子は熱的に励起されず、半導体のｐ−ｎ接合部での電子の正孔との再結合によって生成される。光源の性能及び寿命は、高い目標温度で動作するのではなく、むしろＬＥＤのｐ−ｎ接合部の動作温度を最小限にすることによって最適化される。フィン又は表面積の大きな他の構造体を備えるヒートシンクを提供することによって、対流熱伝達及び放射熱伝達のための面積が強化される。

図１を参照すると、フィンを備えた金属ヒートシンクＭＢはブロックで図示され、ヒートシンクのフィンＭＦは破線の楕円によって図示される。対流及び／又は放射によって熱を周りの環境に伝達する表面は、本明細書では放熱面（例えば、フィンＭＦ）と呼ばれ、定常状態の作動においてＬＥＤデバイスＬＤの十分な放熱をもたらすように広い面積とする必要がある。放熱面ＭＦから周囲環境への対流及び放射による放熱は、定常状態において、熱抵抗

及び

によってそれぞれ、又は熱コンダクタンスによって同様にモデル化することができる。熱抵抗

は、自然空気流又は強制空気流によって隣接する環境に対するヒートシンクの外部表面からの対流をモデル化する。抵抗

は、ヒートシンクの外部表面から離れた周囲への赤外線（ＩＲ）放射をモデル化する。さらに、熱伝導経路は（図１において抵抗

及びＲ_conductorで示す）、ＬＥＤデバイスＬＤと放熱面ＭＦとの間で直列であり、ＬＥＤデバイスＬＤから放熱面ＭＦへの熱伝導を表す。この直列の熱伝導経路に対する高い熱コンダクタンスは、放熱面を介したＬＥＤデバイスから隣接する空気への熱放出が、直列の熱コンダクタンスによって制限されないことを保証する。これは、通常、放熱面を規定するフィン付き又は強化された表面ＭＦを有する比較的大きな金属ブロックとして、ヒートシンクＭＢを構成することによって達成され、金属ヒートシンク本体は、ＬＥＤデバイスと放熱面との間で所望の高い熱コンダクタンスを提供する。このデザインにおいて、放熱面は、本質的に連続しており、熱コンダクタンスの高い経路を提供する金属ヒートシンク本体と密接に熱接触している。

従って、ＬＥＤ型ランプに関する従来の放熱は、隣接する空間に露出する広い面積の放熱面ＭＦを有する金属（又は金属合金）ブロックを含むヒートシンクＭＢを備える。金属ヒートシンク本体は、ＬＥＤデバイスと放熱面との間で熱コンダクタンスの高い経路Ｒ_conductorを提供する。図１の抵抗Ｒ_conductorは、金属ヒートシンク本体ＭＢを通る熱伝導をモデル化する。ＬＥＤデバイスは、金属コア基板、又はヒートスプレッダを含む他の支持体に取り付けられ、ＬＥＤデバイスからの熱は、ヒートスプレッダを通じてヒートシンクへ伝導する。これは、抵抗

によってモデル化される。

放熱面（抵抗

及び

）を介した周囲への放熱に加えて、一般に、エジソンベース又は他のランプコネクタ又はランプベースＬＢによる（図１のモデルにおいて破線の円で示す）いくつかの熱放出（すなわち、放熱）が存在する。ランプベースＬＢによる熱放出は、図１のモデルの図において、離れた環境又は建物インフラへの固体又は熱パイプを介した熱伝導を表す抵抗

によって表される。しかしながら、一般的なエジソン型ベースの場合、ベースＬＢの熱コンダクタンス及び温度限界により、ベースを通る熱流束が約１ワットに制限されることを理解されたい。これに対して、部屋等の内部空間又は野外照明用の照明を提供することが意図されたＬＥＤ型ランプの場合、放熱すべき熱出力は、通常、約１０ワット以上である。従って、ランプベースＬＢが主要な放熱経路を提供できないことは理解されたい。逆に、ＬＥＤデバイスＬＤからの熱は、主として、熱伝導によって金属ヒートシンク本体を通ってヒートシンクの外側放熱面へ放出され、熱は、対流（

）及び（狭い範囲に対する）放射（

）によって周囲の環境に放熱される。放熱面はフィン付きとすること（例えば、図１の図式的に示したフィンＭＦ）、又は変更して放熱面の表面積を増加させることができ、結果的に大きな放熱がもたらされる。

このヒートシンクは、いくつかの欠点を有する。例えば、ヒートシンクは、ヒートシンクＭＢを含む金属又は金属合金の大きな容積によって重くなる。金属ヒートシンクの重さは、ベース及びソケットに対して機械的なストレスがかかり、結果的に故障につながる場合があり、いくつかの故障モードにおいて、電気的障害が起こる場合がある。このヒートシンクの別の問題として製造コストがある。バルク金属ヒートシンク構成要素の機械加工、鋳造、又はモールディングは費用がかかる場合があり、金属の選択次第では、材料コストも高くなる場合がある。さらに、ヒートシンクは、電子機器のハウジングとして、エジソンベースのための取り付け部として、又はＬＥＤデバイス基板の支持体として用いる場合がある。これらの用途では、ヒートシンクは所定の精度で機械加工、鋳造、又はモールディングする必要があり、同様に製造コストが高くなる。

本発明者は、図１に示す単純化された熱モデルを用いてこれらの問題を分析した。図１の熱モデルは、熱インピーダンスの直並列回路として代数的に表現することができる。定常状態では、ランプ自体の熱質量などの全ての過渡インピーダンス、又はランプコネクタ、配線、及び構造的な取り付け部などの隣接する環境の物体の熱質量を熱容量として処理することができる。定常状態では過渡インピーダンス（すなわち、熱容量）を無視することができ、同時にＤＣ電気回路では電気容量が無視されるので、抵抗のみを考慮する必要がある。ＬＥＤデバイスと周囲環境との間の全熱抵抗Ｒ_thermalは、

と記載することができ、ここで、

は、エジソンコネクタ（又は他のランプのコネクタ）を通って「周囲の」電気的な配線へ抜ける熱の熱抵抗であり、

は、対流熱伝達によって放熱面から周囲の環境に移動する熱の熱抵抗であり、

は、放射熱伝達によって放熱面から周囲の環境に移動する熱の熱抵抗であり、

は、放熱面に達するために、ＬＥＤデバイスからヒートスプレッダ（

）を通り、次いで金属ヒートシンク本体（

）を通って移動する熱の直列の熱抵抗である。用語

に関して、直列の熱経路は放熱面ではなくランプコネクタに向かうので、対応する直列の熱抵抗は正確には

ではないが、ベースコネクタを通る熱コンダクタンス

が通常のランプに対して小さいので、この誤差は無視できることに留意されたい。実際、ベースを通る放熱を完全に無視して単純化されたモデルは、

と記載することができる。

この単純化された数式は、ヒートシンク本体を通る直列の熱抵抗

が、熱モデルの制御パラメータであることを明示する。実際、これは、バルク金属ヒートシンクＭＢを用いる従来のヒートシンク設計に対する根拠であり、ヒートシンク本体は、直列の熱抵抗

に対して非常に低い値を与える。前述に照らして、小さな直列熱抵抗

を有すると同時に、従来のヒートシンクと比較して低減した重さ（及び、好ましくは減少したコスト）を有するヒートシンクを得ることが望まれることを理解されたい。

これを達成できる１つの方法は、この経路を強化して１０ワット以上の放熱率を提供できるように、ベースを通る熱の放熱

を高めることである。しかしながら、従来の白熱ランプ、ハロゲンランプ、蛍光ランプ、又はＨＩＤランプの代わりにＬＥＤランプを用いた改良された光源用途において、ＬＥＤ交換ランプは、元々、白熱ランプ、ハロゲンランプ、又はＨＩＤランプ用に設計された従来形式のベース、ソケット、又は照明器具に取り付ける。このような接続の場合、建物インフラ又は遠隔地の環境（接地など）に対する熱抵抗

は、

又は

に比べて大きいので、対流及び放射による周囲環境への熱経路が支配的になる。

更に、ＬＥＤアセンブリの比較的低い定常状態の動作温度に起因して、通常、放射経路は、対流経路（すなわち、

）によって支配されるが、これらが同程度の場合もある。従って、通常のＬＥＤ型ランプに関して支配的な熱経路は、

及び

を含む直列の熱回路である。従って、ヒートシンクの重さ（及び、好ましくはコスト）を低減しながら、低い直列熱抵抗

を提供することが望ましい。

本発明者は、ＬＥＤ型ランプにおける熱除去の問題を第１の原理の観点から慎重に検討した。一般に、重要と見なされるパラメータ（ヒートシンクの体積及び質量、ヒートシンクの熱コンダクタンス、ヒートシンクの表面積、及びベースを通じた伝導熱除去及び放熱）の２つの支配的な設計属性は、ＬＥＤとヒートシンクとの間の経路の熱コンダクタンス（すなわち、

）、及び周囲に対する対流熱伝達及び放射熱伝達のためのヒートシンクの外側表面積である（

及び

に影響を及ぼす）ことを理解されたい。

別の解析は、除去プロセスによって進めることができる。ヒートシンクの体積は、ヒートシンクの熱コンダクタンス及びヒートシンクの表面積に対して影響を与える限りにおいて重要である。ヒートシンクの質量は、過渡的な状况では重要であるが、定常状態の熱除去の性能に大きな影響を与えるものではなく、金属のヒートシンク本体が低い直列抵抗

を提供する範囲を除いて、連続的に動作するランプにおいて重要である。ＰＡＲ又はＭＲ又は反射体又はＡ型ランプなどの交換ランプのベースを通る放熱経路が、低電力ランプに対して重要な場合があるが、エジソンベースの熱コンダクタンスは、約１ワットの放熱を周囲に提供するだけでも十分であり（ピン型ベース等の他のベース形式は同程度の、又はとり低い熱コンダクタンスをもつと思われる）、従って、定常状態において桁違いに高い加熱負荷の生成が予想される商業的に実現可能なＬＥＤ型ランプに関して、ベースを経由した周囲への伝導性熱伝達は重要な原則でないことが予想される。

図２を参照すると、前述に基づいて改良されたヒートシンクが開示され、必ずしも熱伝導性とは限らない軽量ヒートシンク本体ＬＢと、放熱面を規定するためにヒートシンク本体上に配置される熱伝導層ＣＬとを含む。ヒートシンク本体は、熱回路の一部ではないが（又は、随意的に、ヒートシンク本体の何らかの熱伝導性による小さな構成要素とすることができる）、ヒートシンク本体ＬＢは、放熱面を規定する熱伝導層ＣＬの形状を定める。例えば、ヒートシンク本体ＬＢは、熱伝導層ＣＬによって被覆されたフィンＬＦを有することができる。ヒートシンク本体ＬＢは熱回路の一部ではなので（図２に示すように）、これは製造容易性及び構造健全性及び軽量等の特性を得るように設計することができる。いくつかの実施形態において、ヒートシンク本体ＬＢは断熱性の又は比較的低い熱伝導率を有するプラスチックを含む成形プラスチック構成要素である。

軽量ヒートシンク本体ＬＢ上に配置される熱伝導層ＣＬは、放熱面として機能し、周囲の環境に対する放熱に関する性能は（熱抵抗

及び

によって定量化される）、図１でモデル化した従来のヒートシンクと実質的に同じである。しかしながら、熱伝導層ＣＬは、ＬＥＤデバイスから放熱面への熱経路を定める（直列の抵抗

によって定量化される）。これは同様に図２に図式的に示す。

の値を十分に小さくするために、熱伝導層ＣＬは、十分に大きな厚さを有すること（

は、厚さが大きくなると小さくなる）、及び十分に大きな熱伝導率の材料とすること（

は材料の熱伝導率が大きくなると小さくなる）が必要である。熱伝導層ＣＬの材料及び厚さを適切に選択することで、軽量（可能であれば熱的に絶縁される）のヒートシンク本体ＬＢ及びヒートシンク本体上に配置され放熱面を定める熱伝導層ＣＬを備えるヒートシンクは、同じサイズ及び形状のバルク金属ヒートシンクと同程度又はそれ以上の放熱性能をもつことができるが、同時に、同等のバルク金属ヒートシンクに比べて、実質的に軽量で製造コストは安価であることが開示される。同様に、熱伝導層ＣＬは、ヒートシンク性能を決定する周囲に対する放射放熱／対流放熱に利用可能な単なる表面ではなく、周囲と熱伝達状態の放熱層（すなわち、直列抵抗

に対応する）によって定義される外部表面全域の熱の熱コンダクタンスでもある。高い表面コンダクタンスは、総放熱面に対する熱のより効率的な分配を促進するので、周囲に対する放射放熱及び対流放熱を促進することになる。

前記に照らして、ヒートシンクの実施形態が開示され、該ヒートシンクは、ヒートシンク本体と、少なくともヒートシンクの放熱面を横切る（及び、形成する）ヒートシンク本体上に配置される熱伝導層を備える。ヒートシンク本体の材料は、熱伝導層の材料よりも低い熱伝導率を有する。実際には、ヒートシンク本体は、熱的に絶縁されることもできる。他方では、熱伝導層は、（ｉ）所定の面積、及び（ｉｉ）所定の厚さを有し、（ｉｉｉ）十分な熱伝導率の材料から作る必要があり、結果的に、一般に２００℃以下、場合によっては１００℃以下の特定の最高温度以下で、ＬＥＤ型ランプのＬＥＤデバイスのｐ−ｎ半導体接合部を保護するのに十分な、周囲に対する放射放熱／対流放熱を提供するようになる。

熱伝導層の厚さ及びその材料の熱伝導率は、電気シートの伝導率（又は、逆に、電気シートの抵抗）に類似した熱伝導層の熱シートの伝導率を合わせて定義する。熱シートの抵抗

を定義することができるが、ここで、

は材料の熱抵抗率、

は熱伝導層の厚さである。逆数は、熱シートのコンダクタンス

をもたらす。従って、熱伝導層の厚さ

と材料の熱伝導率

との間でトレードオフをすることができる。高い熱伝導率の材料の場合、熱伝導層を薄くすることができ、その結果、重量、体積、及びコストの低減がもたらされる。

本明細書に開示される実施形態において、熱伝導層は、電気めっき、真空蒸着、スパッタリング、物理蒸着（ＰＶＤ）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、或いはヒートシンク本体のプラスチック又は他の材料と熱的に一致するように十分な低温で作動可能な別の適切な層を形成する技術によって被覆される銅、アルミニウム、及びこれらの種々の合金などの金属層を含む。いくつかの実施形態例において、熱伝導層は、無電解めっき及びその後に続く電解めっきの順番で形成される銅層である。他の実施形態において、熱伝導層は、ボロンナイトライド（ＢＮ）、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）層、熱伝導性酸化物などの非金属性の熱伝導層を含む。

ヒートシンク本体（すなわち、熱伝導層を含まないヒートシンク）は、熱拡散を行う熱伝導層の形状を定義し（図２の熱モデルの直列抵抗

によって定量化される）、放熱面を定義する（図２の熱モデルの抵抗

及び

によって定量化される）場合を除いて、熱除去に大きな影響を与えない。ヒートシンク本体がもたらす表面積は、後続の放射及び対流による熱除去に影響を及ぼす。その結果、ヒートシンク本体を選択して、軽量、低コスト、構造的な剛性又は頑強性、熱的な頑強性（例えば、ヒートシンク本体は、溶解又は過度に軟化せずに動作温度に耐える必要がある）、製造容易性、最大表面積（結果的に、熱伝導層の表面積を規制する）等の所望の特性を実現することができる。本明細書に開示するいくつかの実施形態例において、ヒートシンク本体は、成形プラスチック要素であり、例えば、ポリ（メタクリル酸メチル）、ナイロン、ポリエチレン、エポキシ樹脂、ポリイソプレン、ｓｂｓゴム、ポリジシクロペンタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリ（フェニレンオキシド）、シリコン、ポリケトン、熱可塑性プラスチック等のようなポリマ材料から作られる。ヒートシンク本体は、フィン又は他の熱放射／対流／表面積強化構造体を有するように成形することができる。

コストを最小限にするために、ヒートシンク本体は、好ましくは一回限りの成形プロセスを用いて形成されるので、均一な材料粘稠性を有し、全体的に均一であり（例えば、ヒートシンク本体が不均一な材料粘稠性を有しかつ全体的に均一ではないように、異なる成形材料を利用する複数の成形工程によって形成されたヒートシンク本体とは対照的に）、好ましくは、低コストの材料を含む。後者の目的に対して、ヒートシンク本体の材料は、好ましくは、何らかの金属フィラ材料を含まず、より好ましくは、何らかの導電性フィラ材料を含まず、さらにより好ましくは、何らかのフィラ材料を全く含まない。しかしながら、ヒートシンク本体の材料は、何らかの熱伝導率の強化をもたらす金属粒子、又は強化された機械的特性をもたらす非金属フィラ粒子といった、金属フィラ又は他のフィラを含むことも想定されている。

以下にいくつかの例示的な実施形態を説明する。

図３及び図４を参照すると、ヒートシンク１０は、ＭＲ又はＰＡＲタイプのＬＥＤ型ランプでの使用に適した構成を有する。ヒートシンク１０は、前述のようにプラスチック又は別の適切な材料から作られたヒートシンク本体１２、及びヒートシンク本体１２上に配置される熱伝導層１４を含む。熱伝導層１４は、銅層、アルミニウム層、又はこれらの種々の合金などの金属層とすることができる。例示的な実施形態例において、熱伝導層１４は、無電解めっき及びその後に続く電気めっきによって形成される銅層を含む。

図４から良く理解できるように、ヒートシンク１０は、最終的な放射及び対流による熱除去を強化するためのフィン１６を有する。図示のフィン１６の代わりに、マルチセグメント化されたフィン、ロッド、マイクロ／ナノスケール表面、及び体積特徴部などの他の表面積を増大する構造体を使用することができる。図示のヒートシンク本体１２は、内部表面２０及び外部表面２２を有する中空の略円錐形ヒートシンクとしてヒートシンク１０を規定する。図３に示した実施形態では、熱伝導層１４は、内部表面２０及び外部表面２２に配置される。もしくは、図７の別の実施形態のヒートシンク１０’で示すように、熱伝導層は外部表面２２上にだけ配置することができる。

図３及び図４を参照しながら図５及び図６を参照すると、図示の中空の略円錐形ヒートシンク１０は、中空の頂上部２６を含む。ＬＥＤモジュール３０（図６に示す）は、ＭＲベースのランプ又はＰＡＲベースのランプを規定するように、（図５に示すように）頂上部２６に適切に配置される。ＬＥＤモジュール３０は、別の方法でＭＣＰＣＢ３４の金属層を含むことができる、ヒートスプレッダ３６と熱伝達状態にある金属コアプリント基板（ＭＣＰＣＢ）３４に取り付けられる１つ又はそれ以上の（例示的な実施例では３つ）発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイス３２を含む。図示のＬＥＤモジュール３０は、ねじ込み式のエジソンベース４０をさらに含むが、バヨネットピンタイプのベース又はピグテール型の電気コネクタなどの他のタイプのベースを図示のエジソンベース４０の代わりに用いることができる。図示のＬＥＤモジュール３０は、さらに電子機器４２を含む。図示のように、電子機器は、密閉された電子機器ユニット４２を含むことができ、又は別個のハウジングを用いることなく、ヒートシンク１０の中空の頂上部２６に配置される電子部品とすることができる。電子機器４２は、交流電力（米国の住宅用１１０ボルト、米国の工業用又は欧州の２２０ボルトなど）を、ＬＥＤデバイス３２の作動に適したＤＣ電圧（通常、低い）に変換するための電力供給回路を適切に含む。電子機器４２は、静電放電（ＥＳＤ）保護回路、ヒューズ、又は他の安全回路、調光回路などの他の構成要素を随意的に含むことができる。

本明細書で使用される場合、用語「ＬＥＤデバイス」は、無機又は有機ＬＥＤの裸の半導体チップ、無機又は有機ＬＥＤのカプセル化された半導体チップ、ＬＥＤチップがサブマウント、リードフレーム、表面実装支持体などの１つ又はそれ以上の中間要素に取り付けられたＬＥＤチップの「パッケージ」、カプセル材の有無に関わらず波長変換蛍光体の被覆を含む無機又は有機ＬＥＤの半導体チップ（例えば、黄色、白色、琥珀色、緑色、橙色、赤色、又は協働的に白色光を生成するように設計された他の蛍光体によって被覆された紫外線ＬＥＤチップ又は紫色ＬＥＤチップ又は青色ＬＥＤチップ等）、マルチチップの無機又は有機ＬＥＤデバイス（例えば、白色光を集合的に発生するために、赤色、緑色、及び青色、並びに、場合によっては光の他の色をそれぞれ発する３つのＬＥＤチップを含む白色ＬＥＤデバイス等）を包含することを理解すべきである。１つ又はそれ以上のＬＥＤデバイス３２は、白色光ビーム、帯黄色光ビーム、赤色光ビーム、又は所定の照明用途のための、実質的に関心のある任意の他の色の光ビームを集合的に出すように構成することができる。また、１つ又はそれ以上のＬＥＤデバイス３２が異なる色の光を発するＬＥＤデバイスを含むこと、電子機器４２が調整可能な色出力を提供するために別々に動作する異なる色のＬＥＤデバイスのための適切な電気回路を含むことが想定されている。

ヒートスプレッダ３６は、ＬＥＤデバイス３２から熱伝導層１４への熱伝達を可能にする。ヒートスプレッダ３６と熱伝導層１４との間の良好な熱結合は、はんだ付け、熱伝導性接着剤、随意的にＬＥＤモジュール３０とヒートシンク１０の頂上部２６との間に高い熱伝導率パッドによって助長される機械的な締まり嵌めなどの種々の方法で実現することができる。図示されていないが、ヒートスプレッダ３６と熱伝導層１４との間で熱結合を提供又は強化するために、頂上部２６の内面に熱伝導層１４を配置することも想定されている。

図７を参照して適切な製造方法を説明する。本方法では、ます工程Ｓ１において、ヒートシンク本体１２は、プラスチック又は他のポリマ材料を含む実施形態においてヒートシンク本体１２を形成するのに好都合な成形のような適切な方法で形成される。ヒートシンク本体１２を形成する他の方法としては、鋳造、押出し加工（例えば、円筒形ヒートシンクの場合）を挙げることができる。随意的な工程Ｓ２において、成形されたヒートシンク本体の表面は、ポリマ層（一般に約２〜１０ミクロンであるが、それよりも厚いもの又は薄いものが想定される）を施工して粗面処理を行うことで、又は他の表面処理を施工することで処理される。随意的な表面処理工程Ｓ２は、その後にめっきされる銅の密着を促進し、応力除去を行い、及び／又は周囲への放熱を目的として表面積を増大する等の種々の機能を行うことができる。後者の点に関して、プラスチックのヒートシンク本体の表面を粗面処理又はピッチング処理することで、その後に施工される銅被覆は、粗面処理又はピッチング処理の影響を受けて、より広い放熱面をもたらすようになっている。

工程Ｓ３において、最初の銅層は、無電解めっきによって施工される。無電解めっきは、好都合には、電気絶縁性の（プラスチック等の）ヒートシンク本体に行うことができる。しかしながら、無電解めっきの堆積速度は遅い。特に十分に低い直列熱抵抗

をもたらす、本明細書で説明する設計検討は、数百ミクロン程度の厚さのめっき銅層の利用を促す。従って、無電解めっきを利用して、最初の銅層を堆積させることにより（好ましくは、僅か５０ミクロンの厚さであり、特定の実施形態では１０ミクロン未満、更に特定の実施形態では約２ミクロン以下の厚さである）、最初の銅層を有するプラスチック製ヒートシンク本体は導電性になる。最初の無電解めっき工程Ｓ３は、その後、銅層の残りの厚さ、例えば一般的には数百ミクロンの厚さを迅速に堆積する電気めっき工程Ｓ４に進む。電気めっき工程Ｓ４は、無電解めっきするＳ３に比べ堆積率が非常に高い。

銅被覆に関する１つの問題は、銅が変色する可能性があることであり、このことは表面から周囲に放熱する熱伝達に悪影響を及ぼす場合があり、見た目が悪くなる場合もある。従って、随意的な工程Ｓ５において、適切な保護層は、随意的に、例えば、銅にニッケル、クロム、又はプラチナなどの保護金属、或いは保護金属酸化物を電気めっきすることで、銅に堆積される。保護層は、施工される場合、一般に５０ミクロン未満の厚さであり、いくつかの実施形態において、僅か１０ミクロン、さらにいくつかの実施形態において、約２ミクロン以下の厚さである。また、随意的な工程Ｓ６は、金属酸化物粉体（例えば、二酸化チタン粉末、酸化アルミニウム粉末、又はこれらの混合物）のような光学的に厚い粉体被覆、光学的に厚い塗料、ラッカー、ニスなどを施工する粗面処理等の、種々の表面強化をもたらすために実施することができる。これらの表面処理は、強化された対流及び／又は放射によって、放熱面から周囲への放熱を高めることが意図されている。

図８を参照すると、種々のタイプの銅に対する代表的な銅材料の熱伝導率である、２００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲の材料熱伝導率に関する熱伝導層の厚さを最適にするためのシミュレーションデータを示す。（本明細書で使用する場合、用語「銅」は、種々の銅合金又は銅の他の変種を包含することが意図されていることを理解されたい）。このシミュレーションでは、ヒートシンク本体は、２Ｗ／ｍ・Ｋの材料熱伝導率を有するが、この結果はこの値にわずかに依存することが分かっている。図８の値は、長さ０．０５ｍ、厚さ０．００１５ｍ、及び幅０．０１メートルを有する単純化された「スラブ」ヒートシンクに関するものであり、スラブの両側が熱伝導材料で被覆されている。このことは、例えば、プラスチック製ヒートシンク本体によって規定され、厚さ２００〜５００Ｗ／ｍ・Ｋの銅でめっきされた平らなフィンのようなヒートシンク部に対応することができる。図８において、２００Ｗ／ｍ・Ｋの材料の場合、約３５０ミクロンの厚さの銅が、１００Ｗ／ｍ・Ｋと同等の（バルク）熱伝導率をもたらすことが分かる。対照的に、さらに大きな熱伝導の５００Ｗ／ｍ・Ｋの材料では、１５０ミクロン未満の厚さは、１００Ｗ／ｍ・Ｋと同等の（バルク）熱伝導率をもたらすのに十分である。従って、数百ミクロンの厚さのめっき銅層は、１００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率の金属から作られたバルク金属ヒートシンクの性能と同程度の放射及び対流によって、周囲に対する熱伝導及びその後の熱除去に関する定常状態の性能をもたらすのに十分である。

一般に、熱伝導層１４のシート熱コンダクタンスは、ＬＥＤデバイス３２からの熱が熱放射／対流表面領域の全域で均等に拡散されることを保証するように十分に大きいことが必要である。発明者が行ったシミュレーションにおいて、（所定の材料熱伝導率に関する）熱伝導層１４の厚さの増大による性能の向上は、厚さが一度所定レベルを超えると頭打ちになることが分かった（又は、厳密には、性能対厚さの曲線が略指数関数的に減衰する）。動作の何らかの特定の理論に限定されることなく、このことは、周囲に対する放熱が、熱伝導層を通る熱伝達の熱抵抗

ではなく、放射／対流の熱抵抗

及び

によって、大きな厚さにおいて制限されるようになることに起因すると考えられる。前述の別の方法では、大きな層厚さにおいて、

及び

と対照して、直列熱抵抗

は無視できるようになる。

図９及び図１０を参照すると、バルク金属ヒートシンクの熱シミュレーションにおいて、材料熱伝導率の上昇に伴って頭打ちになる同様の性能が見られる。図９は、４つの異なる材料熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ、４０Ｗ／ｍ・Ｋ、６０Ｗ／ｍ・Ｋ、及び８０Ｗ／ｍ・Ｋに関する、シミュレーションによるバルクヒートシンクの熱画像から取得した結果を示す。各々のシミュレーションに関する、ＬＥＤが取り付けられたプリント基板上の温度（Ｔ_board）を図９にプロットした。Ｔ_boardの温度降下は、８０Ｗ／ｍ・Ｋで平らになり始めることが分かる。図１０は、Ｔ_board温度に対する６００Ｗ／ｍ・Ｋまでの熱伝導率に関するバルクヒートシンク材の材料熱伝導率をプロットしたものであり、１００〜２００Ｗ／ｍ・Ｋの範囲を過ぎて頭打ちになる実体の性能を示している。動作の何らかの特定の理論に限定されることなく、このことは、周囲に対する放熱が、熱伝導層を通る熱伝達の熱抵抗

ではなく、放射／対流の熱抵抗

及び

によって、高い（バルク）材料の伝導率に制限されるようになることに起因すると考えられる。前述の別の方法では、高い熱伝導率において、

及び

と対照して、直列熱抵抗

は無視できるようになる。

前述に基づいて、想定されるいくつかの実施形態において、熱伝導層１４は、５００ミクロン又はそれ以下の厚さであり、５０Ｗ／ｍ・Ｋ又はそれ以上の熱伝導率を有する。より高い材料熱伝導率の銅層の場合、実質的に薄い層を使用することができる。例えば、アルミニウムは、通常、合金成分に応じて、約１００〜２４０Ｗ／ｍ・Ｋの（バルク）熱伝導率を有する。図８から、バルクアルミニウムヒートシンクを上回る放熱性能は、約１５０ミクロン又はそれ以上の厚さを有する５００Ｗ／ｍ・Ｋの銅層の場合達成可能であるということが分かる。バルクのアルミニウムヒートシンクを上回る放熱性能は、約１８０ミクロン又はそれ以上の厚さを有する４００Ｗ／ｍ・Ｋの銅層で実現可能である。バルクアルミニウムヒートシンクを上回る放熱性能は、約２５０ミクロン又はそれ以上の厚さを有する３００Ｗ／ｍ・Ｋの銅層で実現可能である。バルクアルミニウムヒートシンクを上回る放熱性能は、約３７０ミクロン又はそれ以上の厚さを有する２００Ｗ／ｍ・Ｋの銅層で実現可能である。一般に、材料熱伝導率及び層の厚さは、熱シート伝導率

に従って変倍する。

図１１及び図１２を参照すると、開示されたヒートシンクの態様は、種々のタイプのＬＥＤ型ランプに組み込むことができる。

図１１は、白熱Ａ型電球に組み込むことに適する形式に「Ａ型電球」ランプの側断面図を示す。ヒートシンク本体６２は、構造的基部を形成し、例えば、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリ（メタクリル酸メチル）、ナイロン、ポリエチレン、エポキシ樹脂、ポリイソプレン、ｓｂｓゴム、ポリジシクロペンタジエン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ（フェニレンスルフィド）、ポリ（フェニレンオキシド）、シリコン、ポリケトン、熱可塑性プラスチック等のポリマ材料から作られた、成形プラスチック要素として適切に製造することができる。例えば、銅層を含む熱伝導層６４は、ヒートシンク本体６２上に配置される。熱伝導層６４は、図８の工程Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６等に従って、図３〜図５、及び図７のＭＲ／ＰＡＲランプの実施形態の熱伝導層１４と同じ方法で製造することができる。

ランプのベース部６６は、ヒートシンク本体６２に固定されランプ本体を形成する。ランプのベース部６６は、図３〜図５、及び図７のＭＲ／ＰＡＲランプの実施形態のエジソンベース４０に類似したねじ込み式エジソンベース７０を含む。いくつかの実施形態において、ヒートシンク本体６２及び／又はランプベース部６６は、エジソンベース７０で受け取った電力を、ランプの光出力をもたらすＬＥＤデバイス７２の駆動に適した作動電力に変換する電子機器（図示せず）を収容する中空領域７１を規定する。ＬＥＤデバイス７２は、金属コアプリント基板（ＭＣＰＣＢ）又は熱伝導層６４と熱伝達状態にある他の熱拡散支持部７３に取り付けられる。ヒートスプレッダ７３と熱伝導層６４との間の良好な結合は、随意的に、はんだ付け、熱伝導性接着剤等によって強化することができる。

ディフューザ７４は、大きな立体角（例えば、少なくとも２πステラジアン）で略全方向に光出力を放出するようにＬＥＤデバイス７２に配置される。いくつかの実施形態において、ディフューザ７４は波長変換蛍光体を含むことができる（例えば、波長変換蛍光体によって被覆される）。実質的なＬａｍｂｅｒｔｉａｎ光出力を生成するＬＥＤデバイス７２の場合、ディフューザ７４は略球体又は楕円体であり、ＬＥＤデバイス７２はディフューザ７４の周囲に配置される図示の構成は、出力照明の全方向性を強化する。

図１２を参照すると、「Ａ型電球」ランプの変異形が示されており、これはエジソンベース７０を有するベース部６６及び図１１のランプのディフューザ７４を含み、更にＬＥＤデバイス７２を含む（図１２の側面図では見えない）。図１２のランプは、ヒートシンク本体上に配置された熱伝導層６４（図１２の側面斜視図のクロスハッチングで示す）によって被覆されるヒートシンク本体（図１２の側面図では見えない）を有する、図１１のランプのヒートシンク６２、６４に類似したヒートシンク８０を含む。図１２のランプは、ヒートシンク８０のヒートシンク本体がディフューザ７４の複数部分上に広がるフィン８２を規定するように形作られる点で図１１のランプとは異なっている。図示のフィン８２の代わりに、ヒートシンク本体は、他の熱放射／対流／表面積を強化する構造体を有するように成形することができる。

図１２の実施形態において、ヒートシンク８０及びディフューザ７４のヒートシンク本体は、単一の一体成形されたプラスチック要素を含むことが想定される。しかしながら、この場合、単一の一体成形されたプラスチック要素は、光学的に透明な又は半透明な材料から作る必要がある（ディフューザ７４が光透過性であるように）。更に、熱伝導層６４がランプ光出力を光学的に吸収する場合（例えば、銅の場合のように）、図１２に示すように、熱伝導層６４は、ヒートシンク８０だけを被覆して、ディフューザ７４を被覆しないことが必要である。これは、例えば、無電解銅メッキ工程Ｓ３の間にディフューザ表面の適切なマスキングによって実現することができる。（電気めっき工程Ｓ４は熱伝導面上にだけ銅めっきを施すので、無電解銅メッキ工程Ｓ３の間のマスキングだけでディフューザ７４上への電気めっきを防止できる）。

図１３及び図１４は、フィンがディフューザ７４上に広がっていない点を除いて、ヒートシンク８０と実質的に同じ別のヒートシンク８０’、８０’’を示す。これらの実施形態において、ヒートシンク８０’、８０’’のディフューザ７４及びヒートシンク本体は、別々に成形すること（そうでない場合は、別々に製造すること）ができ、ヒートシンク本体上に熱伝導層６４を配置する処理が単純になる。

図１５は、同じサイズ及び形状のバルクアルミニウムヒートシンクと比較した場合の、プラスチック製ヒートシンク本体の銅めっきを用いて本明細書に開示するように製造された、例示的なＰＡＲ３８ヒートシンクの重量及び材料コストに関する計算を示す。この例は、ポリプロピレンのヒートシンク本体が３００ミクロンの銅でめっきされるものと仮定する。図１５に示す材料コストは単なる予測である。重量及び材料コストは、等価なバルクアルミニウムヒートシンクと比較すると約半分になる。追加コストの削減は、製造処理コストの低減で実現できると思われる。

次に、開示されたヒートシンクの光学的態様、及び組み合わせた光学的／熱的態様に注目する。

図１６〜２０を参照すると、Ａ１９タイプＬＥＤ型ランプ又はＬＥＤ型交換電球について説明する。ＬＥＤ型交換電球としての使用に適する例示的なランプの実施形態を図１６〜図２０に示す（それぞれ斜視図、別の斜視図、側面図、頂面図、及び底面図を示す）。例示のＬＥＤランプは、ディフューザ１１０、フィン付きヒートシンク１１２、及びベース１１４を含む。例示の実施形態にはエジソンベースを示すが、ＧＵ、バヨネットタイプ、又は他のタイプのベースも想定される。ディフューザ１１０は、図１１のディフューザ７４に類似しているが、改善された全方向照明を提供することが知られている卵形である。ヒートシンク１１２は、ディフューザ１１０の一部の上に広がるフィンを含み、ヒートシンク１１２は、１１０Ｖ交流入力電力（又は２２０Ｖ又は他の選択された交流入力電力）を、ディフューザ１１０の開口に投光するＬＥＤを点灯するのに適した電力に変換する電力調節電子機器（図示せず）を収容する本体部分ＢＰ（図１７及び図１８に表記）を含む。ディフューザ１１０は、球形ディフューザ７４に関して図１１に示す構成と類似の開口部に配置されたＬＥＤ型光源によって照明される。例示のディフューザ１１０は、「地理上の北」又は「Ｎ」に対応する仰角の方向Ｎ又は緯度座標θ＝０に沿って配置される単一の対称軸をもつ卵形である。例示の卵形ディフューザ１１０は、対称軸又はＮ方向のまわりに回転対称である。例示の卵形ディフューザ１１０は、中空内部を有する卵形シェルを備え、ガラス、透明なプラスチック等から適切に製造される。もしくは、卵形ディフューザは、ガラス、透明なプラスチックなどの光透過材から構成される中実構成要素であることが想定される。また、卵形ディフューザ１１０は、随意的に、ディフューザ上又はディフューザ内、或いはディフューザ内部に配置される波長変換蛍光体を含むこともできる。ディフューザ１１０は、粗面仕上げ、及び／又は卵形シェル材料内に分散する光拡散粒子、及び／又は卵形シェルの表面上に配置される光拡散粒子などの何らかの適切な手法によって光を拡散するようになる。卵形ディフューザ１１０は卵形であり、ヒートシンク１１２の本体部分ＢＰに隣接する比較的狭い隣接部、及びヒートシンク１１２の本体部分ＢＰから遠位の比較的広い遠位部を含む。ヒートシンク１１２のフィンは、隣接部と比較すると、ディフューザ１１０の遠位部では光損失が比較的少ない。ヒートシンク１１２のフィンが長手方向（φ）で実質的に制限された範囲を有するので、フィン１２０は、長手方向では全方向の配光に強い影響を及ぼさないことが予想される。しかしながら、発明者が行った測定では、フィンが、光出力において、特に「下向き」角度、換言すると北方向Ｎから９０℃以上離れた方向で何らかの低下をもたらすことが示された。動作の何らかの特定の理論に限定されるものではないが、これらの光損失は、フィンが引き起こす光吸収、光拡散、又はこれらの組み合わせに起因すると考えられる。更に、ヒートシンク１１２の本体部分ＢＰ（又は、より一般的にはランプの本体部分）は、「下向き」の方向において全方向の照明量をさらに制限する。卵形ディフューザ１１０の卵形は、ヒートシンク１１２のフィンによって引き起こされる光損失を低減することが知られている。簡潔に言えば、卵形は、小面積の遠位部に比較して「下向き」方向において光出力が増加するように、比較的狭い近位部の表面積を増加させ、ヒートシンク１１２に起因して生じる光損失を補償して、さらに多くの全方向照明を生じるようになっている（この用語は、本技術分野では、例えば２００９年１２月３日にまとめられた一体型ＬＥＤランプに関するＥｎｅｒｇｙ Ｓｔａｒ（登録商標）Ｐｒｏｇｒａｍ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓにおいて一般に使用されている）。

前述の光解析は、ヒートシンク１１２が拡散的に反射する表面を有することを想定している。図７を再度参照すると、随意的な工程Ｓ６は、金属酸化物粉末（例えば、二酸化チタン粉末、酸化アルミニウム粉末、又はこれらの混合物）などの白色粉末被覆の施工を含むことができる。このような白色の粉末は反射面をもたらす。

しかしながら、このような反射面は、鏡面反射されたたった入射光線の数パーセントが鏡面反射し（従って、視認できる反射を形成する）、残部が拡散反射する、予想以上の拡散反射をもたらすが、僅かだけ吸収されることを理解されたい。更に、白色粉末は、ヒートシンクによる対流／放射の熱放散を妨げる場合がある。鏡面反射量に対する拡散反射量の定量化において、

によって与えられるＴｏｔａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｃａｔｔｅｒ（ＴＩＳ）の定義（例えば、ＪｏｈｎＣ．Ｓｔｏｖｅｒ著、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ）」、２３ページ、ＳＰＩＥ Ｐｒｅｓｓ、１９９５年出版を参照のこと）を採用することは好都合であり、ここで、Ｐｉは、一般に名目入射での表面上の入射電力、Ｒは、表面の全反射率、Ｐｓは、正反射率の角度によって包含されない全ての角度の全てを積分した散乱電力である。一般に、散乱光の角度積分は、通常、数度又はそれ以下である何らかの小さな角度よりも大きい全ての角度に対して行われる。ランプ及び照明器具のような一般的な照明システムの場合、ビームパターンの強度分布は、通常、精度〜１°から５°に制御される。従って、この用途では、ＴＩＳの定義における散乱光の角度積分は〜１°を超える散乱角を含むことになる。

特に図１８を参照すると、放熱面の実施形態は、ヒートシンク１１２の１つのフィンの一部の例示的な部分断面図Ｖによって示される。例示のヒートシンクは、前述のプラスチック製ヒートシンク本体の一部であるプラスチック製ヒートシンクフィン本体２００を含む。ヒートシンクフィン本体２００は、例えば、図７を参照して説明したように工程Ｓ２、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４によってヒートシンクフィン本体２００上に適切に形成された電気めっき銅層２０２により、外部表面の両面が被覆される。銅層２０２は、例えば、約３００ミクロンの厚さとすることができ、又は、図８又は別の適切な設計手法に基づいて得られる別の適切な厚さとすることができる。銅層２０２は、電気めっき又は別の適切な手法で銀層などの反射層２０４によって被覆される。反射層２０４は、入射光線が銅層２０２に到達するエバネセント波を伴うことなく反射される十分な厚さとする必要がある。反射層２０４が銀である場合、約１ミクロンの厚さで十分であるが、より厚い層又はある程度薄い層も適切である。光透過性保護層２０６は、反射層２０４上に配置される。光透過性保護層２０６は、例示的に、光透過プラスチック層又は他の光透過ポリマ層、或いは光透過ガラス又はシリカ層、或いは光透過セラミック層を備えることができる。

光透過性保護層２０６は、反射層２０４にパッシベーションを与える。例えば、反射層２０４が銀である場合、反射層は保護層２０６が存在しないと変色する可能性があり、この変色により銀の反射率が大幅に低下する。

また、光透過性保護層２０６は、ディフューザ１１０から放射されるランプ光に対して光学的に透明である必要がある。このようにして、ヒートシンク１１２の表面に衝突する光は、光透過性保護層２０６の中を通過し、反射層２０４から反射され、この反射した光は反射光として戻って光透過性保護層２０６の中を通過する。いくつかの実施形態において、反射層２０４は、多層構造２０４、２０６が、スネルの法則による鏡面反射（すなわち、反射角度が入射角と等しく、両者は表面法線で測定される）をもたらすように「鏡のような」表面を有する。いくつかの実施形態において、反射層２０４及び光透過性保護層２０６を含む多層構造２０４及び２０６は、１０％未満の光拡散を有する鏡面反射体を含む。いくつかの実施形態では、反射層２０４及び光透過性保護層２０６を含む多層構造２０４及び２０６は、５％未満の光拡散を有する鏡面反射体を含む。いくつかの実施形態において、反射層２０４及び光透過性保護層２０６を含む多層構造２０４及び２０６は、１％未満の光拡散を有する鏡面反射体を含む。鏡面反射体は大きな利点をもつが、反射層２０４及び光透過性保護層２０６を含む多層構造２０４、２０６に関して、例えば、１０％の光拡散よりも実質的に大きな光拡散を有する（しかし、高い反射率が望ましい）、より拡散する反射体であることが想定される。

また、光透過性保護層２０６は、ヒートシンク１１２の熱特性に影響を及ぼす。高い光透過性及び限定された熱的影響を実現するために、光透過性保護層２０６は、所望の表面保護を可能にしながら、実現可能なだけ薄く作る必要があることが予想できる。このようなガイドラインの下で、保護層は、数ナノメータ、又は数十ナノメータ程度に薄く作ることができる。

しかしながら、発明者は、光透過性保護層２０６を実質的に厚くすることが実際には好都合であることを認識している。このデザインでは、光透過性保護層２０６の材料は、低い吸収率又は理想的にはゼロの吸収率（α）、或いは、同様に、可視スペクトル（又はディフューザ１１０によって放射される光の他のスペクトル）において、小さな光減衰係数又は理想的にはゼロの光減衰係数（ｋ）を有するように選択される。この条件は、大部分のガラス又はシリカ層、及び多くのプラスチック又はポリマ層、並びにいくつかのセラミック層が満たす。十分に低い又はゼロの吸収率（又は減衰係数）の場合、光透過性保護層２０６の厚さは、多層構造２０４、２０６の反射率に関して無視できるか、又は何の影響も及ぼさない。

熱的には、光透過性保護層２０６の厚さは、ヒートシンク１１２から周囲に対する（厳密には、図１８の実施形態の場合、銅層２０２から周囲に対する）正味の熱伝達を最大にするように最適化できることを理解されたい。この手法は、光透過性保護層２０６が、一般に、赤外線で高い放射力を有し、反射層２０４の対応する放射力よりも実質的に高い場合があるという観察に基づいている。例えば、材料ＳｉＯ₂は、放射熱（つまり、例えば、〜３−２０ミクロンの波長の範囲にある赤外線での放射）において銀よりも効率が良い。これは以下のように理解できる。

高い反射率の反射層２０４（銀などの非常に高い反射性の金属の場合）が赤外線スペクトルに広がると仮定すると、反射層２０４は、赤外線において本質的に低い（通常、ほとんどゼロの）光放射力を有することになる。入射光エネルギは、吸収されるエネルギと、伝送されるエネルギと、反射されるエネルギとの合計に等しい。非常に高い反射性の層２０４の場合、入射光エネルギのほとんど全てが、反射された光エネルギ（すなわち、反射率１及び透過率０）に変換され、従って、吸収される光エネルギは、ほとんどゼロである。光放射力は光吸収力と等しいので、反射層２０４は、赤外線でほぼゼロの光放射力を有することになる。前述の別の方法では、反射層２０４は、非常に劣った黒体放射体である。

一方で、光透過性保護層２０６は、赤外線において反射層２０４よりも吸収力が高い。換言すれば、可視スペクトルにおける光透過性保護層２０６に関するＳｉＯ₂及び他の好適な材料に対する低い又はゼロの吸収力（又は減衰係数）は赤外線には及ばないが、逆に吸収力（又は減衰係数）は、スペクトルが赤外線に広がるにつれて上昇する。結果的に、光透過性保護層２０６は、反射層２０４と比較した場合、赤外線においてより高い放射力を有する。前述の別の方法では、光透過性保護層２０６は、赤外線において反射層２０４よりも好適な完全放射体である。

しかしながら、光透過性保護層２０６は、ＬＥＤ（熱源）と周囲の空気との間の熱回路の要素として受け取った熱だけを放射することができる。光透過性保護層２０６は、主に、隣接するし下地の反射層２０４から伝導及び放射によって熱を受け取る。光透過性保護層２０６が薄過ぎる場合、熱をほとんど吸収せず、多層２０４、２０６からの黒体放射は、反射層２０４の劣った黒体放射特性によって支配されることになる。他方で、光透過性保護層２０６は、ある時点で、反射層２０４から放射される熱に対してほぼ完全に不透明になるように十分に厚くなる。

前述の原理について、「添付書類Ａ−光透過性保護層によって被覆された高度に鏡面反射する反射層を含む複合ヒートシンクに関する適切な被覆の厚さの決定」を参照して更に例示する。添付書類Ａは、光透過性保護層２０６のための適切な厚さの定量的決定を開示する。これらの計算に基づいて、光透過性保護層２０６は赤外線放射に対しては光学的に厚いことが望まれる。材料及び所望の熱流束に応じて、いくつかの実施形態において、光透過性保護層は、１ミクロン又はそれ以上である必要がある。添付書類Ａの図Ａ２及びＡ３からわかるように、一般の誘電体、又はＳｉＯ₂などのポリマ材料の場合、適切な層の光学的厚さは３ミクロン以上であり、いくつかの実施形態では５ミクロン以上、いくつかの実施形態では１０ミクロン以上である（一般的なＳｉＯ₂の場合、赤外線放射に関して５０％以上を吸収する）。いくつかの実施形態では、２０ミクロン以上などのより高い厚さも想定される。図Ａ２及び図Ａ３から分かるように、複合面２０４、２０６の温度性能は、約１０ミクロン以上で急速に低減しないので、光透過性保護層２０６に対してさらに大きな厚さが想定される。実際には、図Ａ３から分かるように、数十ミクロンの厚さは、光透過性保護層２０６にとって熱的に許容範囲である。しかしながら、長い堆積時間及び高い材料コストは、実質的に１０ミクロンよりも大きな厚さになるようにさせる。さらに、光透過性保護層２０６が可視光に対して非ゼロの吸収力を有する場合（すなわち、減衰係数ｋも同様に可視の際にゼロでない場合）、複合面２０４、２０６の低下した光反射率は、１０ミクロンよりも実質的に大きな、光透過性保護層２０６の厚さをもたらす場合がある。従って、いくつかの実施形態において、光透過性保護層は、２５ミクロン程度の厚さを有し、いくつかの実施形態において、１５ミクロン程度の厚さを有し、いくつかの実施形態において、１０ミクロン程度の厚さを有する。

「電球」タイプランプのフィン付きヒートシンクランプに関して、図１８に示す複合面２０４、２０６は、反射面が有益である他のヒートシンクで使用することもできる。

図３を再度参照すると、例えば、種々の実施形態が示されており、中空の略円錐形ヒートシンクの少なくとも内部表面２０が、（順番に）銅層２０２、反射層２０４（例えば、いくつかの実施形態では、鏡のような、従って鏡面反射する銀層）、及び光透過性保護層２０６を含む複合面を備える。いくつかの実施形態において、高い反射率を提供するために内部表面２０だけが層２０４、２０６を含むのに対して、外部表面２２は、熱伝導を提供するために銅層２０２だけを含むことができる（随意的に、白色粉末被覆又は他の表面的な表面処理をさらに含む）。他の実施形態において、内部表面２０及び外部表面２２は、層２０４、２０６を含み、外部表面２２に対するこれらの層の随意的な含有物は、特定の層の堆積技術の場合、通常、製造の利便性によって動機づけが行われる。

例示的なヒートシンクは、軽量ヒートシンクを好都合に提供するために、前述のようにプラスチック又は別の適切な材料から作られたヒートシンク本体を使用する。このような任意のヒートシンクは、追加の層２０４、２０６を含むことができ、保護層２０６による環境ロバスト性と共に高い反射率がもたらされ、更に、例えば、最も外側の層の銀又は銅などの金属と比較した場合、光透過性保護層２０６の強化された放射力によってもたらされる維持又は改善された熱的性能がもたらされる。反射層２０４が十分滑らかに作られる場合、多層構造２０４、２０６は鏡面反射性をもたらし、ヒートシンクが反射性光学素子として機能する特定の用途では好都合である。

いくつかの実施形態において、熱伝導層２０２及び反射層２０４は、熱伝導及び所望の反射性を提供するのに必要な厚さの単一層として組み合わせることができる。

更に他の想定される変形例として、ヒートシンク本体は、例えば、追加の層２０４、２０６によって被覆されて高い熱放射力と共に強固な反射面を可能にする、バルク銅又はアルミニウムヒートシンク（何らかのプラスチック又は他の軽量ヒートシンク本体の構成要素を含まない）である、完全な銅、アルミニウム、又は別の熱伝導性金属或いは金属合金とすることができる。

開示されたヒートシンクは、新しいランプデザインを助長する。

図２１及び図２２を参照すると、指向性ランプが示されている。図２１は、指向性ランプの側部断面図を示すが、図２２は、図２１の「ビュー」表記の方向から見た図を示す。図２１及び図２２の指向性ランプは、ねじ込み式エジソンタイプのベース３０６で受け取ったライン交流電圧をＬＥＤデバイス３００の点灯に適した出力に変換するための適切な電力変換電子機器（内部の構成要素は図示せず）を含むベース３０４に取り付けられた基板３０２に配置された、１つ又はそれ以上のＬＥＤデバイス３００を含む。指向性ランプは、光軸ＯＡに沿って指向性ビームを生成するために協働するビーム形成フレネルレンズ３０８及び円錐形反射体３１０を含む光学システムを更に含む。フレネルレンズ３０８は透明なので、図２２のフレネルレンズ３０８の「背後」にある内部の詳細は、図２２の透明レンズを通して可視できることを理解されたい。

図２１及び図２２の指向性ランプは、図３〜図６の指向性ランプといくつかの類似点がある。１つの類似点として、双方の実施形態において、円錐形反射体がヒートシンクとして機能するという点が挙げられる。しかしながら、図３〜図６の実施形態では、ヒートシンクは、円錐形反射体の外側にフィンを有する。この配置は、光路の外側にフィンを配置するのであり従来型である。これに対して、図２１及び図２２の指向性ランプでは、円錐形反射体３１０の内側に内向きに延びるフィン３１２を含む。これらのフィン３１２は、（順番に）プラスチック又は別の軽量材料から作られた平らなフィン本体３１４、該平らなフィン本体３１４の両面を被覆する熱コンダクタンス層２０２（例えば、いくつかの実施形態では１５０〜５００ミクロンの銅層）、反射層２０４（例えば、１０分の数ミクロン〜数ミクロンまでの範囲の厚さを有する銀層）、及び光透過性保護層２０６（例えば、約３〜１５ミクロンの範囲の厚さを有するＳｉＯ₂又は透明なプラスチック層）を含む複合又は多層反射面を含む。また、複合層構造２０２、２０４、２０６は、円錐形反射体３１０の内部表面（すなわち、図３〜図６の実施形態の指向性ランプのために図３において詳細に示した被覆に類似する、図２２の可視の表面）を被覆し、また、随意的に、円錐形反射体３１０の外部表面（すなわち、図２２において可視でない表面）を被覆する。もしくは、円錐形反射体３１０の外部表面を被覆しなくてもよく、又は審美的理由で外見を美しくする処理を行うこともできる。

また、反射の利用は（好適には鏡面反射であるが、拡散反射も想定する）、さらに高度な熱伝導及び熱放射、及び環境的に頑丈な複合層構造２０２、２０４、２０６は、フィン３１２が円錐形反射体３１０の内側、従って光路内に配置される、図２１及び図２２の構成を容易にする。従来のヒートシンクは、可視光に対して約８５％以下の反射率を有する。この数字は高いように思われる場合があるが、特に多重反射の場合にかなりの光損失になり、例えば、円錐形反射体の内側に内向きに延びるフィンにより光損失が生じる傾向がある。

これとは対照的に、複合層構造２０２、２０４、２０６は、高い反射率層２０４の固有反射率と実質的に同じか又はそれよりも良好な反射率をもたらす。銀の場合、この固有反射率は９０％以上とすることができ、一般に約９５％である。一般に、光透過性保護層２０６は、この反射率を低下させることはなく、表面安定化及び／又は屈折率整合により反射率をさらに改善することができる。結果として、高い光効率を維持したまま、指向性ランプに内向きに延びるフィン３１２を用いることは実施可能である。

内向きに延びるフィン３１２は、図３〜図６の実施形態の外向きに延びるフィンに対してかなりの利点を有する。内向きに延びるフィン３１２を用いることによって、指向性ランプはコンパクトかつ審美的になる。さらに、指向性ランプを埋め込み方式で取り付ける場合、外向きに延びるフィンは、フィンの効率を実質的に低下させる可能性のある狭い凹部で空間的に制限される場合がある。これに対して、光路内で内向きに延びるフィン３１２の配置では、フィンは、凹部に取り付けられた場合であっても実質的に開いた空間と向かい合うことが保証される。また、内向きに延びるフィン３１２は、ランプの前面から外方に熱を排出する傾向があるのに対して、外向きに延びるフィンでは、取り付け表面に対して「後方」に熱を排出するか、又は凹部に取り付けた場合には取り付け穴に熱を排出する傾向がある。また、内向きに延びるフィン３１２は、該内向きに延びるフィンが鏡面反射し、ランプの光軸の周りに左右対称に配置される場合、及び各々のフィンが光軸に対して平行な放射面に存在する場合、円錐形反射体及びビーム形成レンズの光学性能を維持する傾向がある。このような平面において、各々のフィンは、ランプのビームパターンに光を鏡面反射し、その結果、光がフィンで反射するか、又は光がフィンで反射することなくランプから放射するか否かに関係なく、ビーム光の径方向の分布がフィンで反射した光によって変化しないように、及びビームパターンの光の方位角分布が、光軸の周りで回転しないようになっている。

図２３は図１６〜図２０のランプと類似したランプを示し、図１８と同じ側面図を示している。図２３の変更されたランプでは、ディフューザ１１０の外部にフィンを有するフィン付きのヒートシンク１１２が、さらに大きなディフューザ３５２（破線によって示す半透明ディフューザ３５２）によって取り囲まれた内部フィン３５０と置き換えられる。内部フィン３５０は、「電球」の中心に向かってさらに内向きに延ばすことによって、対応する外部フィンよりもさらに大きく作ることができる。ディフューザ３５２が十分に広がる場合、内部フィン３５０は、視界からブロックされるか、又は散在して見えるだけである。外部フィンの取り除くことで、多くの人にとって審美的な改善と見なされることが予想され、ねじ込み式照明ソケットにランプをねじ込む際に「電球」部分の保持及び取り扱いがさらに容易になる。円形の拡大図Ｖ’に示すように、各々のフィンは、構造的支持部をもたらすプラスチック製フィン又は他の軽量で平らなフィン本体３５４を有し、複合多層構造２０２、２０４、２０６によって側面のいずれかが被覆されている。

複合多層構造２０２、２０４、２０６によって薄く平らなフィンの支持部の両面が被覆された任意の実施形態において（図１８、図２２、図２３などに示すように）、複合多層構造２０２、２０４、２０６が「端部」、すなわち平らなフィンの支持部の対向する主平面を連結する薄い表面を被覆することが想定される。もしくは、いくつかの実施形態において、「端部」の面積は小さく、フィン本体によって直接光路から遮蔽されるので、「端部」は、被覆しないままとすることができる。

以下は、光透過性保護層によって被覆された高度に鏡面反射する反射層を含む、複合ヒートシンクの適切な被覆厚さに関する測定法の例である。本例では、ヒートシンク本体は（例えば、図１８のヒートシンクフィン本体２００、又は図２２の平らなフィン本体３１４、又は図２３の平らなフィン本体３５４）、ポリマであると想定し、層２０２は、銅（Ｃｕ）層であると想定し、反射層２０４は、銀（Ａｇ）層であると想定し、光透過性保護層２０６は、シリコン二酸化物（ＳｉＯ₂）層であると想定する。また、Ｔ１は、ＡｇからＳｉＯ₂境界面の温度を示す。Ｔ２は、周囲温度を示し（このモデルでは、黒体放射体として扱われる）、Ｔｗにより空気境界面におけるＳｉＯ₂層の温度を示す。まとめると、ヒートシンク複合構造は、銅（Ｃｕ）、或いは、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）等の他の熱伝導材料２０２を所望の厚さでめっきした成形ポリマの骨材２００、３１４、３５４を含む。最初にめっきされる層２０２は、薄い銀（Ａｇ）２０４によって上塗りされ、大きな正反射率をもたらすようになっている。その後、Ａｇ層２０４は、シリコン二酸化物（ＳｉＯ₂）２０６の透明被覆によって上塗りされる。（もしくは、電磁気スペクトル構造体の可視部において透明なポリマ被覆などの別の光透過性保護層は、層２０６として使用することもできる。本例で示す計算例は、ＳｉＯ₂用である）。この多層放熱面２０２、２０４、２０６からの熱伝達の有効速度は、光透過性保護層２０６の厚さに依存する（例えば、例示的な実施例ではＳｉＯ₂）。単純化された仮説の下で、任意の特定のデザインに関する光透過性保護層２０６の最適な厚さは、以下に例示的な実施例によって示すように計算することができる。

外気において半無限板の場合（すなわち、板が、垂直方向の次元において無限の長さで存在すると見なす）、以下の仮説をたてることができる。第１に、外気は、温度Ｔ₂において黒体放射体として機能する。第２に、外気への熱損失に関する主たる機構は、対流及び放射である。定常状態において、Ａｇ〜ＳｉＯ₂境界面における温度は、Ａｇ〜ＳｉＯ₂境界面を温度Ｔ₁に維持するように計算された、ＳｉＯ₂層（ＳｉＯ₂−空気境界面）の外部表面から外気への正味総熱損失と等価な熱を複合構造へ提供することによって、一定温度Ｔ₁で維持できる。ＳｉＯ₂層が赤外線放射に対して光学的に薄い形態では、ＳｉＯ₂〜空気境界面からの熱損失は、以下のようにまとめることができる。

（１）
ここでは、Ｑは、周囲に対する正味の熱損失であり、Ｑ_Convは、ＳｉＯ₂〜空気境界面から外気への熱対流あり、さらに。Ｑ_Radは、ＳｉＯ₂−空気境界面における外気に対する正味放射の合計である。さらに、ＳｉＯ₂の光学的に薄い領域では、Ｑ_Radは以下のように再分割することができる。

（２）
ここでは、Ｑ_Rad-ＳｉＯ₂は、吸収及び再放射によりＳｉＯ₂層で生成された放射であり、Ｑ_{Rad Ag_out}は、吸収されることなく、ＳｉＯ₂層を通るＡｇ〜ＳｉＯ₂境界面からの正味放射の一部である。以下の関係式は、キルヒホフの法則から生じる。

（３）
ここでは、Ｑ_Abs-ＳｉＯ₂は、ＳｉＯ₂層によって吸収された放射である。一方で、関心対象の赤外線波長における非反射システムの吸収に関する制限では以下のようになる。

（４）
ここでは、Ｑ_Trans-ＳｉＯ₂は、ＳｉＯ₂層を介して伝達される放射である。関心対象の赤外線波長領域では、ＳｉＯ₂層の透過率は、厚さが増大し、層が半透明になり最終的には大きな厚さで不透明になるに従って変化する。吸収媒体を通る透過率に関するランベルト・ベールの法則を用いて、ＳｉＯ₂の厚さ及びＳｉＯ₂の吸収係数に対するＱ_Trans-ＳｉＯ₂の機能的な関係式を表すことができる。

（５）

（６）
これらの数式において、ＴＳｉＯ₂はＳｉＯ₂層の透過率であり、ＡＳｉＯ₂は、ＳｉＯ₂層の吸収率であり、ｔは、ＳｉＯ₂層の厚さであり、αはＳｉＯ₂層の吸収係数を平均化した黒体である。プランクの放射関数を用いると以下のようになる。

（７）
ここでは、

（８）
であり、ここでは、Ｃ₁＝３．７４２×１０⁸Ｗ−μｍ⁴／ｍ²、Ｃ₂＝１．４３８７×１０⁴μｍ−Ｋ，Ｔはケルビン（Ｋ）の単位で表された温度であり、ｋは、波長の関数としてのＳｉＯ₂の減衰係数であり（すなわち、屈折率の虚数部）、λは、関心対象の放射の波長である。別の関係式を表すこともできる。

（９）
ここでは、Ｑ_{Rad _Ag}（単位面積当たり）は、Ａｇ〜ＳｉＯ₂境界面温度において銀（Ａｇ）の灰色体からの計算された放射熱であり、以下のように表すことができる。

（１０）
ここでは、ε_Agは、銀の放射率であり、σは、ステファン・ボルツマン定数＝５．６７×１０^-8Ｗ／（ｍ²−Ｋ⁴）である。さらに、

（１１）
ここでは、Ｔ_wは、空気境界面におけるＳｉＯ₂層の温度である。ＳｉＯ₂の光学的に薄い領域では、放射が以下のように対流及び伝導とは無関係であることが推測できる。

（１２）
ここでは、Ｑ_Convは、ＳｉＯ₂〜空気境界面から周囲への熱対流であり、Ｑ_Cond-ＳｉＯ₂は、ＳｉＯ₂層を介して伝導する熱である。さらに、

（１３）
及び、

（１４）
ここでは、ＫＳｉＯ₂は、ＳｉＯ₂層の熱伝導率であり、ｈＳｉＯ_2-airは、ＳｉＯ₂〜空気境界面における対流熱伝達係数である。式１３及び式１４を適切な物理的データと共に使用して、式（１）〜式（１２）を解くことができる、Ｔ_w（すなわち、空気境界面におけるＳｉＯ₂層の温度）を計算することができる。

銀の鏡面反射層上のＳｉＯ₂光透過性保護層に関する前述の定量化の例を以下に説明する。定量化の例は、Ｐａｌｉｋ著の光学定数のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ）の中の減衰係数値を利用し、ＳｉＯ₂の吸収係数が、関連する３．５ミクロン〜２７ミクロンの赤外線スペクトル範囲で０．６４となるように計算する。定量化の例で利用する値を表Ａ−１に記載する。

表Ａ−１

図２４は、定量化の例で利用するＳｉＯ₂に関する光学特性のスペクトルを示す。頭字語「ＨＴＣ」は「伝熱係数」を表す。銀の温度がＬＥＤの動作温度と同程度であるように、温度１００℃の銀は、高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）デバイスの一般的な所望の動作温度に対応するものとして選択して、銀への効率的な熱伝達を想定する。図２４は、ＳｉＯ₂の減衰係数（ｋ）、吸収（アルファ又はα）、１００℃での黒体放射率（ＢＢ）、及び積分吸収係数（アルファ＊ＢＢ）を示す。ＳｉＯ₂が、可視スペクトルにおいて光学的に透明（又は光学的にほとんど透明）であるにもかかわらず、赤外線において相当な大きさの吸収ピーク、及び全体的なＢＢ放射を有することに留意されたい。

図２５及び図２６を参照すると、表Ａ−１の構成に関して、総流束に対するＳｉＯ₂層の厚さの曲線がそれぞれ異なるスケールで示されている。ＳｉＯ₂は、熱の放射時、銀よりも効率が高い。しかしながら、ＳｉＯ₂は、例えば、赤外線吸収で受け取る熱を放射することしかできない。このことは、ＳｉＯ₂厚さを約５〜１５ミクロンまで増加することによる総熱流束の増加を説明する。ＳｉＯ₂の厚さが上記範囲以上の場合、ＳｉＯ₂は、赤外線放射に対して不透明であり、追加の厚さが赤外線吸収に貢献しないので、総熱流束は、ゆっくりと減少し始める。これらの結果は、効率的な総熱損失に対する銀上のＳｉＯ₂の適切な厚さは約５〜１５ミクロンであり、それ以上ＳｉＯ₂に厚さを増やしてみ正味の熱除去の低減が始まることを示す。このことは、約５〜１５ミクロン以上のＳｉＯ₂層は赤外線放射に対して不透明になり、何らかの追加のＳｉＯ₂の厚さが、ＳｉＯ₂層の放射によって外に放射することができる赤外線の熱吸収に貢献しないという理由で生じる。

好適な実施形態が例示及び説明される。前述の詳細な説明を読み理解すると、当業者であれば、変形例変更例を想定できることは明白である。本発明は、全てのこのような変形例及び変更例が請求項及びその均等物の範疇にある限りこれらを含むことが意図されている。

Claims (36)

1. ヒートシンク本体と、
   前記ヒートシンク本体上に配置される、可視スペクトル光に対して９０％以上の反射率を有する反射層と、
   前記反射層上に配置される、前記可視スペクトル光に対して光透過性である光透過性保護層と、
   を備えるヒートシンク。
2. 前記反射層が、鏡面反射する反射層を備える、請求項１に記載のヒートシンク。
3. 前記反射層及び前記光透過性保護層を含む多層層構造が、１０％未満の光拡散性を有する鏡面反射体を備える、請求項１に記載のヒートシンク。
4. 前記反射層及び前記光透過性保護層を含む前記多層層構造が、５％未満の光拡散性を有する鏡面反射体を備える、請求項１に記載のヒートシンク。
5. 前記ヒートシンク本体が、
   構造的ヒートシンク本体と、
   前記構造的ヒートシンク本体上に配置される熱伝導層を含み、前記熱伝導層が、前記構造的ヒートシンク本体よりも高い熱伝導率を有し、前記反射層が、前記熱伝導層上に配置される、請求項１に記載のヒートシンク。
6. 前記熱伝導層が、５００ミクロン又はそれ以下の厚さを有し、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する、請求項５に記載のヒートシンク。
7. 前記熱伝導層が、少なくとも１５０ミクロンの厚さを有し、５００Ｗ／ｍ・Ｋ又はそれ以上の熱伝導率を有する、請求項５に記載のヒートシンク。
8. 前記構造的ヒートシンク本体が、プラスチック又はポリマの構造的ヒートシンク本体を備える、請求項５に記載のヒートシンク。
9. 前記熱伝導層が、銅（Ｃｕ）層を含む、請求項５に記載のヒートシンク。
10. 前記光透過性保護層が、赤外光に関して光吸収性であり、赤外光に関して光学的に厚い、請求項１に記載のヒートシンク。
11. 前記光透過性保護層が、１ミクロン又はそれ以上の厚さを有する、請求項１に記載のヒートシンク。
12. 前記光透過性保護層が、５ミクロン又はそれ以上の厚さを有する、請求項１に記載のヒートシンク。
13. 前記光透過性保護層が、１０ミクロン又はそれ以上の厚さを有する、請求項１に記載のヒートシンク。
14. 前記光透過性保護層が、１５ミクロン未満の厚さを有する、請求項１に記載のヒートシンク。
15. 前記光透過性保護層が、シリコン二酸化物（ＳｉＯ₂）又はシリカ層を含む、請求項１に記載のヒートシンク。
16. 前記光透過性保護層が、光透過プラスチック、ポリマ、ガラス、又はセラミック層を備える、請求項１に記載のヒートシンク。
17. 前記反射層が、銀（Ａｇ）層を備える、請求項１に記載のヒートシンク。
18. 前記反射層が、前記鏡面反射層を通るエバネセント波を伴うことなく入射光線が反射されるのに十分な厚さである、請求項１に記載のヒートシンク。
19. 前記ヒートシンク本体が、熱放射面積増強構造体を含み、前記反射層及び前記光透過性保護層が、少なくとも前記熱放射面積増強構造体上に配置される、請求項１に記載のヒートシンク。
20. 前記熱放射面積増強構造体が、熱放射フィンを含む、請求項１９に記載のヒートシンク。
21. 前記ヒートシンクが、中空光収集反射体を規定し、前記反射層及び前記光透過性保護層が、前記中空光収集反射体の少なくとも内部表面上に配置される、請求項１に記載のヒートシンク。
22. 前記ヒートシンクが、前記中空光収集反射体の内側に配置された内向きに延びるフィンを含み、前記反射層及び前記光透過性保護層が、少なくとも前記内向きに延びるフィン上に追加的に配置される、請求項２１に記載のヒートシンク。
23. ヒートシンク本体と、該ヒートシンク本体上に配置され、可視スペクトル光に対して９０％以上の反射率を有する反射層と、該反射層上に配置され、前記可視スペクトル光に対して光透過性である光透過性保護層とを含むヒートシンクと、
    前記ヒートシンクに固定され、該ヒートシンクと熱伝達状態にあるＬＥＤモジュールと、
    を備える、発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプ。
24. 前記ＬＥＤ型ランプが、Ａ型電球構成を有し、前記ＬＥＤモジュールによって照明されるディフューザをさらに含み、
    前記ヒートシンクが、前記ディフューザの内側又は外側に配置されるフィンを含み、前記反射層及び前記光透過性保護層が、少なくとも前記フィン上に配置される、請求項２３に記載のＬＥＤ型ランプ。
25. 前記ディフューザが、中空であり、前記ヒートシンクが、前記中空ディフューザの内側に配置されるフィンを含む、請求項２４に記載のＬＥＤ型ランプ。
26. 前記ＬＥＤ型ランプが、指向性ランプを含み、前記ヒートシンクが、中空光収集反射体を規定し、前記反射層及び前記光透過性保護層が、前記中空光収集反射体の少なくとも内部表面上に配置される、請求項２３に記載のヒートシンク。
27. 前記ヒートシンクが、前記中空光収集反射体の内側に配置され、内向きに延びるフィンを含み、前記反射体及び前記光透過性保護層が、追加的に少なくとも前記内向きに延びるフィン上に配置される、請求項２６に記載のＬＥＤ型ランプ。
28. 前記ヒートシンクが、前記ＬＥＤ型ランプの反射光学構成要素を備える、請求項２３に記載のＬＥＤ型ランプ。
29. ヒートシンク本体と、
    前記ヒートシンク本体上に配置される鏡面反射層と、
    前記鏡面反射する反射層上に配置される光透過性保護層と、
    を備え、前記光透過性保護層が、シリコン二酸化物（ＳｉＯ₂）層、シリカ層、プラスチック層、及びポリマ層から成る群から選択される、ヒートシンク。
30. 前記ヒートシンク本体が、プラスチック又はポリマ製のヒートシンク本体を備える、請求項２９に記載のヒートシンク。
31. 前記プラスチック又はポリマ製ヒートシンク本体上に配置される銅層をさらに備え、前記鏡面反射層が前記銅層上に配置される、請求項３０に記載のヒートシンク。
32. 前記鏡面反射層が銀層を備える、請求項３１に記載のヒートシンク。
33. 前記光透過性保護層が、３ミクロン又はそれ以上の厚さを有する、請求項２９に記載のヒートシンク。
34. 前記光透過性保護層が、該光透過性保護層に赤外線放射の５０％以上を吸収させるのに有効な厚さを有する、請求項２９に記載のヒートシンク。
35. 中空ディフューザと、
    前記中空ディフューザの内側を照明するように配置されるＬＥＤモジュールと、
    複数のフィンを含むヒートシンクと、
    を備え、前記フィンの少なくとも一部が、前記中空ディフューザの内側に配置される、発光ダイオード（ＬＥＤ）型ランプ。
36. 比較的小さな入口開口及び比較的大きな出口開口を有する中空光収集反射体を含むヒートシンクと、
    前記入口開口に光学的に結合される発光ダイオード（ＬＥＤ）モジュールと、
    を備え、前記ヒートシンクが、前記中空光収集反射体の内部表面から内向きに延びる複数のフィンを更に含む、指向性ランプ。

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