JP2013546135A - Ｌｅｄ照明器具用冷却装置およびこれを用いたｌｅｄ照明器具 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤを用いた照明器具で発生する熱を放出させるためのＬＥＤ照明器具用冷却装置が提供される。
【解決手段】上記ＬＥＤ照明器具用冷却装置は、一端部がＬＥＤ照明器具と結合され、赤外線放出特性を有する粉末が混合された媒質を作動流体として用いるヒートパイプ、および上記ヒートパイプの他端部に設けられる放熱フィンを含む。上記ＬＥＤ照明器具用冷却装置を備えるＬＥＤ照明器具は、金属材料からなり、冷却装置が結合される装着板、装着板に設けられ一つ以上のＬＥＤが配列されたＬＥＤ基板、およびＬＥＤ基板に配列されたＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ駆動回路を含む。上記ＬＥＤ照明器具は、街灯、集魚灯、投光灯などのように大きな光量が必要とされる室内灯又は屋外灯などに適用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いた照明器具、特に、１Ｗ級以上の高出力ＬＥＤパッケージが搭載された照明器具で発生する熱を冷却させるためのＬＥＤ照明器具用冷却装置およびこれを用いたＬＥＤ照明器具に関する。

近年、発光ダイオード、すなわち、ＬＥＤを用いた照明は、環境にやさしい技術として大きく注目されている。世界的に白色ＬＥＤ照明市場は、２００６年以降、年間５０％近く成長してきており、ＬＥＤ技術の発展に伴い、今後ＬＥＤが蛍光灯やその他の光機構を代替するという予想が段々と現実化されている。

一般に、最近のＬＥＤ照明器具は、複数の低出力ＬＥＤを配列することよりも高出力型である１Ｗ級以上のＬＥＤパッケージを使用してＬＥＤの装着数を減らそうとする傾向がある。

低出力ＬＥＤを用いた照明器具の一例として、０．５Ｗ出力を示すＬＥＤが電球型では約７０個、直管型では約４００個以上が搭載される。低出力ＬＥＤで照明器具を製造すると効率面や照明の機能向上面で利点がありうる。

但し、照明器具に多数の低出力ＬＥＤを低コストで装着するためには、自社で製造したＬＥＤパッケージを使用し、装着過程も自社が有している既存の設備で処理しなければならないという制約がある。したがって、ＬＥＤパッケージを自社で製造しないほとんどの企業は、パッケージの供給及び装着コストなどを低減するために、高出力ＬＥＤを用いて照明器具を製造しようとする傾向がある。

高出力ＬＥＤを照明器具に用いる場合に問題となるのは放熱である。高出力ＬＥＤを照明器具に用いると、発光部が集中されるため温度が上がりやすい。さらに、ますます明るい照明が好まれるため発熱の絶対量も増えている。

特に、街灯や集魚灯のような屋外照明の場合にこのような傾向が目立つ。ＬＥＤは温度が高くなると順電圧が低下して発光効率が悪化するのみでなく、寿命も短くなる。簡単に高温状態となる高出力ＬＥＤを用いる場合は、パッケージに耐熱性のある高価な素材を使用しなければならないため、これもコストの上昇要因として作用するようになる。

このような放熱問題を解決するために、金属ベース基板を用いるＬＥＤ照明器具が多く提案されている。しかしながら、金属ベース基板も放熱性を十分に確保し難い。高出力ＬＥＤ用基板としては、熱伝導率の高いＡｌＮ（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｎｉｔｒｉｄｅ）板に銀ペーストを印刷したセラミック基板が広く知られているが、ＡｌＮは製造コストが高いという欠点がある。

近年、ＬＥＤパッケージの基板構造を改善することで、放熱性を高めようとする試みがある。他の方法として、ＬＥＤチップの機械的構造を改善して放熱性を高めようとする試みもある。しかしながら、このような方法は高コストがかかるという欠点がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、高出力ＬＥＤ照明器具を低コストで効果的に冷却させることができるＬＥＤ照明器具用冷却装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、ＬＥＤ照明器具用冷却装置を用いた高出力ＬＥＤ照明器具を提供することを目的とする。

本発明に係るＬＥＤ照明器具用冷却装置は、一端部がＬＥＤ照明器具と結合され、赤外線放出特性を有する粉末と媒質が混合された作動流体を用いるヒートパイプ、および上記ヒートパイプの他端部に設けられる放熱フィンを含む。

本発明の他の形態によると、上述したＬＥＤ照明器具用冷却装置は金属材質からなり、上記ＬＥＤ照明器具用冷却装置が機械的な方法で結合される装着板、上記装着板に設けられ一つ以上のＬＥＤが配列されたＬＥＤ基板、および上記ＬＥＤ基板に配列されたＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ駆動回路を含むＬＥＤ照明器具が提供される。

本発明によると、１Ｗ級以上の高出力ＬＥＤを用いる照明器具を低コストで効果的に冷却させることができるＬＥＤ照明器具用冷却装置が提供される。

また、本発明により、上記ＬＥＤ照明器具用冷却装置を用いて放熱効率に優れた高出力ＬＥＤ照明器具が提供される。

本発明に係るＬＥＤ照明器具用冷却装置がＬＥＤ照明器具の装着板に固定された状態を背面から示す図である。 本発明に係るＬＥＤ照明器具用冷却装置がＬＥＤ照明器具の装着板に固定された状態を前面から示す図である。 本発明に係るＬＥＤ照明器具の一例として街灯に用いられる場合を示す図である。 本発明に係るＬＥＤ照明器具の他の例として集魚灯に用いられる場合を示す図である。

以下では、本発明の望ましい実施例について添付した図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図２には、本発明に係るＬＥＤ照明器具用冷却装置１００がＬＥＤ照明器具の一部である装着板２１０に結合された状態が示されている。

図示された実施例でＬＥＤ照明器具用冷却装置１００は、ヒートパイプ１１０、放熱フィン１２０、及び結合部材１３０を備える。

上記ヒートパイプ１１０は、一端部がＬＥＤ照明器具の一部である上記装着板２１０と機械的な方法で結合される。上記ヒートパイプ１１０はパイプ形状を有し、ステンレス鋼からなる。

上記ヒートパイプ１１０は、主に銅のように熱伝導性の高い金属からなることが一般的であるが、銅の場合、鋼に比べて値段が高いという欠点がある。したがって、本実施例では、ステンレス鋼を使用してヒートパイプを形成する。銅に比べて劣る熱伝達率を補うために、後述するように作動流体として一般的なヒートパイプとは異なる材料を使用する。

上記放熱フィン１２０は、上記ヒートパイプ１１０の他端部に設けられ、アルミニウムのように熱伝達率が高い材料からなるのが良い。上記ヒートパイプ１１０と上記放熱フィン１２０は、上記ヒートパイプ１１０を拡管させて上記放熱フィン１２０と圧着させる方法で互いに結合される。この場合、上記ヒートパイプ１１０から放熱フィン１２０への熱伝達率が増加し、上記ヒートパイプ１１０の内部空間が増加する利点がある。

上記ヒートパイプ１１０と上記ＬＥＤ照明器具は、上述したように、機械的な方法で結合することができる。本実施例で上記ヒートパイプ１１０は、第１冷却フィンを備えた合部部材１３０を介して上記ＬＥＤ照明器具の一部である装着板２１０とボルトなどの手段によって結合される。

上記放熱フィン１２０の場合と同様に、上記結合部材１３０と上記ヒートパイプ１１０は、パイプ形状の上記ヒートパイプ１１０を拡管させて圧着させる方法で互いに結合されることが良い。

上記ヒートパイプ１１０の内部空間には作動流体が備えられる。本実施例では、作動流体としてメチルアルコール（ｍｅｔｈｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）と赤外線放出特性を有する粉末を含むものを用いる。本実施例での作動流体は水（蒸留水）を含まない。

しかしながら、本発明に係るヒートパイプに用いられる作動流体の媒質はメチルアルコールに限定されず、常温で水よりも沸点が低い液体であればいずれも良い。例えば、アンモニア、メチルクロロホルム（ｍｅｔｈｙｌ ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ）でも良く、水も使用可能である。

本出願人が実験的に見出したことによると、上記ヒートパイプ１１０の作動流体が赤外線放出特性を有する粉末を含む場合は、含まない場合よりも低い温度でも冷却作用が活発に行われることを確認した。

一実施例として、赤外線放出特性を有する粉末はケイ酸塩鉱物の粉末を用いることができる。本実施例で用いられた赤外線放出特性を有する粉末の粒子サイズは１５〜１５０マイクロメートル程度（１００〜１０００メッシュ）であり、７〜２０マイクロメートル帯域の赤外線波長を放出する。

上記ヒートパイプ１１０は、円形断面のパイプ形状を有し、内部空間は真空に維持される。上記ヒートパイプ１１０の内部空間の真空度は、冷却しようとする目標温度に応じて設定される。例えば、上記ヒートパイプ１１０の内部圧力は０．００１〜０．０００１ｍｍｈｇに設定することができる。

ここで、作動流体を形成するメチルアルコールと赤外線放出特性を有する粉末は、それぞれ体積を基準に内部空間の１５％〜３０％及び０．５％〜２％を占める。

上記ヒートパイプ１１０の内部には、上記放熱フィン１２０の方向に移動した気体状態の作動流体が凝縮され再度元の位置に容易に戻ることができるように、内部空間に流路を形成するために流路形成突起を備えることができる。ここで、上記ヒートパイプ１１０は、上記放熱フィン１２０の方向に上方に傾くように設けられることが望ましい。

また、上記ヒートパイプ１１０の内部には、上記作動流体が元の位置に戻ることができるようにウィック（ｗｉｃｋ）を備えても良い。上記ウィックは、毛細管現象を利用して凝縮された作動流体を戻らせる。上記ウィックを備える場合、ヒートパイプが装着される角度が冷却作用を円滑に行うのに不利であっても、２０％程度の冷却効果を維持できる利点がある。

上記ヒートパイプ１１０の内部での熱伝達過程について述べる。

上記ＬＥＤ照明器具が発熱すると、上記ＬＥＤ照明器具の熱は、上記ヒートパイプ１１０に伝達され、上記ヒートパイプ１１０の内部にある媒質が気化し始める。同時に、上記粉末は赤外線を放出し始める。

そうすると、気化した媒質は、上記放熱フィン１２０の方向に移動しながら熱を上記放熱フィン１２０に伝達するようになる。ここで、上記ヒートパイプ１１０は真空状態にあるため、熱伝達過程が急速に進むようになる。

熱を放出した気体状態の媒質は、上記ヒートパイプの内側表面に凝縮されて再度下部に移動することになる。

上記粉末による熱伝達過程をより具体的に説明すると次のとおりである。

赤外線を含んだ電磁波は、輻射方式で熱を伝達し、伝導又は対流の場合とは異なり、真空中でも熱の伝達が可能である。電磁波は波長に応じて様々に分けられ、例えば、波長の長さに応じて赤外線、可視光線、紫外線などに分けられる。一般に物質は、特定帯域の波長を有する電磁波を吸収し、温度が上がるにつれて特定の波長帯域の電磁波を放出することもある。

上記ヒートパイプ１１０の作動流体に電磁波を発生させる物質を混合させる場合、この物質は温度が上がるにつれて電磁波を発生させる。発生した電磁波は、上記ヒートパイプ１１０の内部空間を占めている媒質及びヒートパイプの壁面に輻射方式で熱を伝達する。物質の粉末がイオン化されていない固体である場合は気化しないため、主に液体状態の媒質が蒸発する領域に溜まるようになる。

したがって、物質によって放出される電磁波は、主に液体状態の媒質に吸収され、気体状態の媒質が凝縮される領域まで到達しなくなる。これにより、作動流体に含まれた媒質の蒸発は速くなる一方、凝縮は妨害を受けないようになる。

結局、上記ヒートパイプ１１０内部の熱サイクルは、該当物質が含まれない場合に比べ、より速い速度で回転することができる。熱サイクルがより速く行われるためには媒質の凝縮もより速い速度で行われなければならない。本出願人が確認したところによると、すべての条件が同一の状態で作動流体が電磁波を発生させる物質を含んだ場合とそうでない場合の放熱フィンの温度を比較すると、前者の場合に放熱フィンの温度が高かった。

一方、赤外線の場合は、帯域に応じて差はあったが、たいてい分子状態である物質の固有振動数と類似した周波数を有するため、よく吸収される傾向がある。したがって、温度が上昇したとき、赤外線を放出させる物質は、本発明に係る上記ヒートパイプ１１０の内部に収容されるのに適した物質中の一つである。

温度が上昇するときに赤外線を主に放出させる物質としては、上述した実施例で用いられたケイ酸塩鉱物粉末、玉粉末、炭素粉末などがある。ここで、上記ヒートパイプ１１０には、作動流体をなす主な媒質によく吸収する帯域の電磁波を放出する物質が投入されることが望ましい。

電磁波を発生させる物質を上記ヒートパイプ１１０の作動流体に含ませる場合は粉末状態にすることが望ましい。上記粉末の粒子サイズが小さいと、粒子の温度を上げるためのエネルギー（熱）が小さくなるので、短い時間内に十分な量の電磁波を放出させる温度まで上がることができる。

しかしながら、一般的に粒子のサイズを小さくするためにはコストが増加し、あるレベル以下に小さくするためにはコストが指数関数的に増加する。一方、粒子のサイズが大きいと製造コストが減少するが、大量の電磁波を発生させるためには相対的に大きなエネルギー（熱）を供給しなければならないため、十分に速く電磁波を発生させる温度まで上昇できず、結果的に上記ヒートパイプ１１０の冷却効果に寄与できなくなる。

したがって、上記粉末は、製造に多くのコストがかからなく、且つ少量のエネルギーが伝達されても十分な量の電磁波を発生させることができる温度まで短い時間内に上がることができる粒子サイズを有することが望ましい。

上述したように、本発明に係る実施例では、ヒートパイプの作動流体としてメチルアルコールを用い、電磁波を発生させる物質としてケイ酸塩鉱物の粉末を用いた。投入されたケイ酸塩鉱物の粉末は、温度が上昇する場合、特定帯域の赤外線を放出し、上記赤外線によってメチルアルコールの蒸発が活発になる。もし、媒質を他のものに変える場合、吸収する電磁波帯域が変わることがあるので、作動流体の媒質に応じて投入される粉末も、その媒質がよく吸収する帯域の電磁波を発生させるものに変える必要があることは言うまでもない。

（発明の実施形態）
図３及び図４には、本発明に係る冷却装置が適用されたＬＥＤ照明器具が示されている。図３は、街灯１０に適用された場合であり、図４は、集魚灯２０に適用された場合である。

図示したＬＥＤ照明器具１０、２０は、上述したＬＥＤ照明器具用冷却装置を含む。それぞれの照明器具１０、２０は、金属材質からなり、ＬＥＤ照明器具用冷却装置が機械的な方法で結合される装着板２１０、上記装着板２１０に設けられ一つ以上のＬＥＤが配列されたＬＥＤ基板２２０、及び上記ＬＥＤ基板２２０に配列されたＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ駆動回路（図示せず）を含む。

図示された実施例で、ＬＥＤとしては１Ｗ級以上の高出力ＬＥＤが良い。高出力ＬＥＤを用いる場合、少ない数のＬＥＤ素子だけで必要とする光量を発生させることができるので、照明器具の重量を減らし、製造コストを低減することができる。

１Ｗ級未満の低出力ＬＥＤを用いる場合には、上記ＬＥＤで発生する熱が大きく問題とならないので、冷却装置を用いる必要性が減少する。但し、同じ量の光量を提供するためには多数の低出力ＬＥＤを用いなければならなく、これにより照明器具の値段と重量が増加し得る。

街灯、集魚灯又は投光灯などのような室内用又は屋外用ＬＥＤ照明器具では、例えば、３Ｗ級以上の高出力白色ＬＥＤ、それぞれ１Ｗ級以上である高出力赤緑青（ＲＧＢ）の単一チップＬＥＤを組み合わせたマルチチップＬＥＤ、又は照明器具の目的に応じて１Ｗ級以上の赤緑青（ＲＧＢ）の単一チップＬＥＤなどを用いることができる。用いられるＬＥＤはＬＥＤ照明器具の用途に応じて変えることができる。集魚灯の場合には、白色ではなく青色光が要求される場合もある。

ＬＥＤ駆動回路は、高出力ＬＥＤに最大駆動電流の６０％以上の電流を供給する。高出力ＬＥＤは、最大許容電流の６０％〜７０％程度を駆動電流で供給する。駆動電流がこれより大きくなるとＬＥＤ素子によって発生される光量は増加するが、発生する熱が急激に増加して効率が低下し寿命が非常に短くなる。

しかしながら、本発明に係る冷却装置を用いる場合、最大駆動電流の６０％以上の電流、例えば、９０％の電流が駆動電流で供給される場合にも、十分な冷却が提供されるので、ＬＥＤ素子が適切な効率を維持しながらも、より多くの光量を発生させることができる。

上記装着板２１０は、ＬＥＤ照明器具用冷却装置１００と機械的な方法で結合される。本実施例では、図１に示すように、冷却装置１００のヒートパイプ１１０が第１冷却フィンを備えた結合部材１３０を介して上記装着板２１０に固定される。上記装着板２１０は、熱伝達率が高い素材からなることが良く、例えば、アルミニウムなどのような金属で形成される。

本実施例に係る冷却装置を用いる場合、照明動作時に装着板の温度は２０℃〜８０℃の範囲の温度に維持される。このような温度では、高出力ＬＥＤの効率が高く維持され、寿命も長くなる。上述したように、本発明に係る冷却装置を用いない場合には、高出力ＬＥＤの温度が高くなることにより、効率が低下し寿命が非常に短くなる。

上記ＬＥＤ照明器具は、上記ＬＥＤから放出される光を意図した照明方向に反射させるための反射板（図示せず）をさらに含むことができる。

なお、上記ＬＥＤ照明器具は、上記ＬＥＤ照明器具用冷却装置１００の対応する位置に熱を放出させるための放熱孔１１、２１を備えたハウジングをさらに含むことができる。

本発明は、添付の図に示した実施例を基に詳細に説明したが、本発明の範囲を外れない範囲内で様々な変形が可能であることは明らかである。本明細書に記載した事項は本発明の範囲を添付の特許請求の範囲より狭くするためのものではない。上述した実施例は、例示のためのものであり、本発明を限定するものでない。

本発明は、高出力ＬＥＤ照明器具に用いられる放熱装置及びこれを用いたＬＥＤ照明器具に関するものであって、一般道路、官公庁、学校などの街灯のみでなく、漁業のための集魚灯に用いることができるので、産業上に広く利用できる。

Claims (17)

1. ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いたＬＥＤ照明器具で発生する熱を放出させるための冷却装置であって、
   一端部がＬＥＤ照明器具と結合され、媒質と赤外線放出特性を有する粉末が混合された作動流体が内蔵されたヒートパイプ、及び前記ヒートパイプの他端部に設けられる放熱フィンを含み、前記ヒートパイプの内部空間の真空度は、冷却しようとする目標温度に応じて設定され、前記媒質は、体積を基準に前記ヒートパイプの内部空間の１５％〜３０％を占めるＬＥＤ照明器具用冷却装置。
2. 前記媒質は水よりも沸点が低い物質で構成され、前記粉末は体積を基準に前記ヒートパイプの内部空間の０．５％〜２％を占めることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
3. 前記媒質は、メチルアルコール、アンモニア、メチルクロロホルム中の一つ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
4. 前記粉末は、ケイ酸塩鉱物の粉末、玉粉末、炭素粉末中の一つ以上を含み、前記粉末は、加熱される場合、前記媒質に吸収される帯域の赤外線を放出することを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
5. 前記粉末の粒子サイズは１５〜１５０マイクロメートルであることを特徴とする 請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
6. 前記ヒートパイプの内部圧力は０．００１〜０．０００１ｍｍｈｇであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
7. 前記ヒートパイプは、ステンレス鋼からなり、パイプ形状を有し、前記放熱フィンはアルミニウム材質からなり、前記ヒートパイプは拡管されて前記放熱フィンと圧着される方法で互いに結合されることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
8. 前記ヒートパイプと前記ＬＥＤ照明器具の結合は、第１冷却フィンを備えた結合部材を介してなることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
9. 前記結合部材は、前記ヒートパイプの拡管によって前記ヒートパイプと圧着される方法で結合されることを特徴とする請求項８に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置。
10. 請求項１〜請求項９のうちいずれか１項に記載のＬＥＤ照明器具用冷却装置と、
    金属材質からなり、前記ＬＥＤ照明器具用冷却装置が機械的な方法で結合される装着板と、
    前記装着板に設けられ一つ以上のＬＥＤが配列されたＬＥＤ基板と、
    前記ＬＥＤを駆動するためのＬＥＤ駆動回路とを含むＬＥＤ照明器具。
11. 前記ＬＥＤは１Ｗ級以上の高出力ＬＥＤであることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
12. 前記ＬＥＤ駆動回路は、前記ＬＥＤに最大駆動電流の６０％以上の電流を供給することを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
13. 前記ＬＥＤの動作時、前記装着板の温度は２０℃〜８０℃の範囲の温度に維持されることを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
14. 前記ＬＥＤから放出される光を意図した照明方向に反射させるための反射板をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
15. 前記ＬＥＤ照明器具用冷却装置の対応する位置に熱を放出させるための放熱孔が備えられたハウジングをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具。
16. 前記ＬＥＤは３Ｗ級以上の高出力白色ＬＥＤであることを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤ照明器具。
17. 前記ＬＥＤは、それぞれ１Ｗ級以上である高出力赤緑青（ＲＧＢ）の単一チップＬＥＤを組み合わせたマルチチップＬＥＤであることを特徴とする請求項１１に記載のＬＥＤ照明器具。
    

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