JP2014154554A

JP2014154554A - 車両用照明装置、放熱装置及び照明装置

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Publication number: JP2014154554A
Application number: JP2014014401A
Authority: JP
Inventors: Ji-Hun Kim; キム・ジフン; Sungmin Kim; キム・スンミン
Original assignee: LG Innotek Co Ltd
Current assignee: LG Innotek Co Ltd
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2014-08-25
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: CN103968313B; KR20140099643A; US9869446B2; JP5774737B2; KR102072429B1; EP2762771A3; US20140218950A1; CN103968313A; EP2762771B1; EP2762771A2

Abstract

【課題】製造コストの低減、軽量化及びスペースの活用性を増加させることができる効果と光学部材の融雪効果を有する放熱装置及び照明装置を提供する。
【解決手段】光源モジュール３１０から発生する熱を受ける第１の放熱モジュール１００と、前記第１の放熱モジュール１００に延長され、前記第１の放熱モジュール１００から受けた熱を伝達する第１の部材２１０と、光出射空間を形成し、前記第１の部材２１０から伝達される熱を前記光出射空間に放射する第２の部材２３０を含む第２の放熱モジュール２００とを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、放熱装置とこれを含む照明装置及び車両用照明装置に関する。

発光ダイオード(ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ)素子は、化合物半導体の特性を利用して電気信号を赤外線又は光に変換させる素子であって、蛍光灯とは異なり水銀などの有害物質を使用しないため、環境を汚染させる要因が少なく、従来の光源に比べて寿命が長いという利点を有している。なお、従来の光源に比べて消費電力が低く、高い色温度により視認性に優れ、眩しさが少ないという利点を有しており、近年、車両のヘッドランプの光源として多用されている。

しかしながら、車両用ヘッドランプの場合、エンジン熱により基本的な環境温度が８０℃に近く、密閉されていて放熱に脆弱であるので、内部温度の上昇はＬＥＤの寿命に影響を及ぼすことになる。したがって、ＬＥＤから発生した熱を効果的に放出させることができる高性能の放熱システムが必要であり、ＬＥＤの放熱のためのファン(Ｆａｎ)が採用されている。

図１は、従来の車両ヘッドランプ用放熱構造を示す図である。

従来の車両ヘッドランプ用放熱構造は、図１に示すように、ヘッドランプハウジング１０の内側に形成されるＬＥＤモジュール２０、前記ＬＥＤモジュール２０の底面に形成されるヒートシンク３０、及び前記ヒートシンク３０の下部に設けられる冷却ファン４０を含む。

即ち、従来の車両ヘッドランプ用放熱構造は、ＬＥＤモジュール２０の底面に形成されたヒートシンク３０によりＬＥＤモジュールから発生する熱を外部に放出する一方、前記冷却ファン４０により前記ヒートシンク３０を冷却させて放熱効率性を向上させる。

しかしながら、従来の車両ヘッドランプ用放熱構造は、図１に示すように、別途の冷却ファン４０を取り付けることにより、コスト及び車両の重量を増加させ、スペースの活用性を低下させるのみでなく、前記冷却ファン４０が長時間の使用により過熱され、これにより熱風が形成されて冷却性を低下させるという問題点があった。

なお、ＬＥＤの寿命と共に冷却ファンの寿命も減らす恐れがあり、低消費電力を追求するＬＥＤヘッドランプに別途の電気モータを適用しなければならないという問題点もあった。

なお、ＬＥＤはＨＩＤ(ＨｉｇｈＩｎｔｅｎｓｉｔｙＤｉｓｃｈａｒｇｅ)やハロゲン光源とは異なり、赤外線や紫外線がほとんど発生しないので、雪などによりヘッドランプが氷結する問題点もあった。

本発明の実施形態は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものであって、互いに異なる熱伝導性材料からなる第２の放熱モジュールを形成してファンを省略することにより、製造コストの低減、軽量化及びスペースの活用性を増加させることができるのみでなく、光出射空間への熱放射により光学部材の融雪(ＳｎｏｗＭｅｌｔｉｎｇ)、霜取り(Ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ)、露取り(Ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ)、曇り防止(Ｄｅｆｏｇｇｉｎｇ)効果を実現できる放熱装置及び照明装置を提供する。

なお、第１の放熱モジュールと第２の放熱モジュールをインサート射出成形によって一体に形成することにより、放熱性を高めることができる放熱装置及び照明装置を提供する。

上述した課題を解決するための本発明の実施形態による放熱装置は、光源モジュールから発生する熱を受ける第１の放熱モジュールと、前記第１の放熱モジュールに延長され、前記の受けた熱を伝達する第１の部材および光出射空間が形成され、前記第１の部材から伝達される熱を前記光出射空間に放射する第２の部材を含む第２の放熱モジュールと、を含むことができる。

本発明の実施形態によると、互いに異なる熱伝導性材料を含む第２の放熱モジュールを備えることにより、ファンの省略が可能であり、ファンの省略によるコストの低減、軽量化及びスペースの活用性を増加させることができる効果のみでなく、第２の部材による熱放射により、光学部材の融雪、霜取り、露取り、曇り防止効果を実現することができるという利点を有する。

なお、インサート射出成形により第１の放熱モジュールと第２の放熱モジュールを一体型に形成することにより、ファンとヒートシンクを省略しても放熱性を向上させることができる効果を有するようになる。

なお、第１の部材の表面に表面処理層を形成することにより、第２の部材の輻射放射率(ＲａｄｉａｎｔＥｍｉｓｓｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ)が低くても、第１の部材により熱放射効果を極大化させることができる効果がある。

従来の車両ヘッドランプ用放熱構造を示す図である。本発明の実施形態による放熱装置を含む照明装置の構造の一実施形態を示す図である。本発明の実施形態による放熱装置を含む照明装置の構造の一実施形態を示す図である。本発明の実施形態による放熱装置を含む照明装置の構造の一実施形態を示す図である。ファンが備えられた従来の車両用照明装置と本発明の実施形態による車両用照明装置の放熱性能に対する実験結果を示す図である。一般的なプラスチック材のベゼルが適用された車両用照明装置と本発明の実施形態による熱伝導性樹脂を適用した車両用照明装置のアウトレンズの透過シミュレーションの結果を示す図である。表面処理層がない放熱装置と本発明の実施形態による表面処理層が形成された放熱装置の熱抵抗に対する実験結果を示す図である。

以下、添付の図面を参照して本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できる望ましい実施形態を詳細に説明する。但し、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。本明細書に亘って同じ構成要素に対しては同じ符号を付し、これについての重複説明は省略する。

本発明の実施形態は、放熱装置及び照明装置に関するものであり、熱伝導性樹脂と金属からなる第２の放熱モジュールを形成することにより、放熱効果を向上させ、且つファンの省略が可能であり、光学部材の融雪(ＳｎｏｗＭｅｌｔｉｎｇ)、霜取り(Ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ)、露取り(Ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ)、曇り防止(Ｄｅｆｏｇｇｉｎｇ)効果を実現する放熱装置及び照明装置の構造を提供することを要旨とする。

なお、本発明の実施形態による放熱装置及び照明装置は、照明を必要とする様々なランプ装置、例えば車両用照明装置、家庭用照明装置、産業用照明装置への適用が可能である。例えば車両用ランプに適用する場合には、ヘッドライト、後方ライトなどにも適用が可能であり、これ以外にも、現在開発されて市販されているか、今後の技術発展に伴って実現可能な全ての照明関連分野に適用可能であろう。

図２は、本発明の放熱装置を含む照明装置の構造の一実施形態を示す図である。

図２を参照すると、本発明による放熱装置は、光源モジュール３１０から発生した熱を受ける第１の放熱モジュール１００と、前記第１の放熱モジュール１００から伝達された熱を光出射空間に放射する第２の放熱モジュール２００とを含んでなる。また、本発明による照明装置は、ハウジング３３０内の前記第２の放熱モジュール２００の端部に固定される光学部材３２０と、前記第１の放熱モジュール１００上に実装され、前記光学部材３２０に光を出射する光源モジュール３１０とを含んでなる。

第１の放熱モジュール１００は、上部に実装された光源モジュール３１０から発生した熱を受ける。そのために、第１の放熱モジュール１００は、熱伝導性の高い金属、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｒ、及びＮｉなどからなることが望ましい。本発明は、図２に示すように、第１の放熱モジュール１００の下部にヒートシンクを配置しなくても優れた放熱効果を実現することができる。もちろん、放熱性をさらに増加させるためには、ヒートシンクを第１の放熱モジュール１００の下部に配置できることは自明であろう。

第１の放熱モジュール１００の上部に実装される光源モジュール３１０は、プリント回路基板及びプリント回路基板に実装されて光を出射する発光素子を含み、前記発光素子は発光ダイオード(ＬＥＤ)であることが望ましい。

第２の放熱モジュール２００は、前記第１の放熱モジュール１００に延長され、前記第１の放熱モジュール１００から受けた熱を伝達する第１の部材２１０と、光出射空間を形成し、前記第１の部材２１０から伝達される熱を前記光出射空間に放射する第２の部材２３０とを含んでなる。前記第１の部材２１０と第２の部材２３０は、分離可能な構造で作製することができる。図では、第１の部材２１０が、第２の部材２３０の下部に配置されているが、これとは逆に、第２の部材が第１の部材の下部に配置されても良い。

このとき、前記第１及び第２の部材２１０、２３０は、熱伝導性が互いに異なる材料からなることが望ましい。より具体的には、第１の部材２１０は、前記第１の放熱モジュール１００のように熱伝導性の高い金属であるＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｃｒ、及びＮｉなどからなることが望ましい。第２の部材２３０は、前記第１の部材２１０よりも輻射放射率の高い熱伝導性材料からなるが、より具体的には、ＰＰＳ(ＰｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ)、ＬＣＰ(ＬｕｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ)、ＰＣ(Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ)又はナイロンのうちいずれか１つからなる熱可塑性樹脂と熱伝導性フィラー(Ｆｉｌｌｅｒ)からなることが望ましい。このとき、前記熱伝導性フィラーは、例えば、金属酸化物(ｍｅｔａｌｏｘｉｄｅ)、金属炭化物(ｍｅｔａｌｃａｒｂｉｄｅ)、金属粉末(ｍｅｔａｌｐｏｗｄｅｒ)などの金属系、グラファイト、炭素繊維などの炭素系又はセラミック金属炭素系の混合物からなる。

光学部材３２０は、前記第２の部材２３０の端部に固定されて光を外部に出射させる。前記光学部材３２０は、レンズ、透明基板又は半透明基板などのように光源から出射される光を外部に出力する全ての光学基板を含むことができる。そのために、車両用照明装置の場合、車両用光学部材は、例えば、ヘッドランプやリアランプのアウターレンズである。

なお、本発明による放熱装置及び照明装置は、輻射放射率を高めるために、前記第１の部材２１０の表面に表面処理層(図示せず)を形成することができる。このとき、前記表面処理層は、陽極酸化(Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ)処理、ＣＮＴ(ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ)又はシリコンのコーティング、粉体塗装により形成でき、第１の放熱モジュール１００から離隔されるほど輻射放射率が増加するように形成することが望ましい。

本発明によると、光源モジュール３１０から発生した熱は、熱伝導性金属からなる第１の放熱モジュール１００が受けて第１の部材２１０によって伝達され、熱可塑性樹脂を含む第２の部材２３０により放出される。特に、前記第２の部材２３０による直接的な熱伝達は、熱伝導性の高い材料からなる第１の部材２１０に比べて低いが、輻射放射率の高い熱伝導性材料からなっているので、第１の部材２１０に比べて光出射空間へより多くの熱が放射される。これにより、光出射空間に放射される熱により光学部材３２０の表面温度が上昇し、光学部材３２０の表面に積雪した雪、凍結などを融雪(ＳｎｏｗＭｅｌｔｉｎｇ)したり、霜取り(Ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ)、露取り(Ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ)、曇り防止(Ｄｅｆｏｇｇｉｎｇ)などが可能になる。また、本発明は、従来のようなファンを備えなくても、放熱効果を向上させることができ、ファンの省略により製造コストを低減させ、重量を減らすことができるのみでなく、スペースの活用性も向上させることができる。

図３及び図４は、本発明の放熱装置を含む照明装置の構造についての他の実施形態を示す図である。以下、図２と重複する構成要素については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

図３は、第１の放熱モジュール１００と第２の放熱モジュール２００がインサート射出成形によって一体型に形成された構造の側断面を示す図であり、図４は、図３における照明装置にヒートシンク３４０を加えた構造の側断面を示す図である。

図２で、第２の部材２３０に適用される熱可塑性樹脂の場合、熱伝導性フィラーによって異方性を有するようになるが、一般的な熱伝導性樹脂は、平面(Ｉｎ-Ｐｌａｎｅ)方向に比べて貫通面(Ｔｈｒｏｕｇｈ-Ｐｌａｎｅ)方向の熱伝導性が相対的に小さいので、垂直方向に熱を伝達することが容易ではなく、第１の部材２１０と第２の部材２３０との接触抵抗が高くて放熱効率を低下させる可能性もある。これにより、本発明の他の実施形態では、図３に示すように、第１の放熱モジュール１００と第２の放熱モジュール２００がインサート射出成形によって一体型に形成されることにより、熱伝導をより容易にし、第１の部材２１０と第２の部材２３０間の接触抵抗を減少させて放熱効果を増大させるのみでなく、組み立て性も改善させることができるようになる。

特に、第２の放熱モジュール２００には、第１の部材２１０と第２の部材２３０が積層して結合された構造の積層部２２０を形成できるが、前記積層部２２０は、第１の部材２１０の上部面に第２の部材２３０が積層して結合された構造であっても良いが、放射率の増加と外部からの眩しさを防ぐためには、図３でのように第２の部材２３０の上部面に第１の部材２１０が積層して結合された構造であることが望ましい。これにより、熱伝導性の高い金属からなる第１の部材２１０が熱を主導的に伝達し、第２の部材２３０が光出射空間に熱を放射できるようになる。

図３には、第１の放熱モジュール１００と第２の放熱モジュール２００の全てがインサート射出成形によって一体に形成されることが示されているが、必ずしもこれに限定されるのではなく、又他の実施形態として、第１の部材２１０と第２の部材２３０のみがインサート射出成形によって一体型に形成されても良く、第２の部材２３０と積層部２２０のみがインサート射出成形によって一体型に形成されても良い。

以下の表１は、本発明による図３の照明装置と従来の車両用照明装置の熱拡散部材に応じた熱抵抗を比較したものである。

前記表１でのＡは、ＬＥＤ、電気モータ、エンジンが主な熱源であって、ヒートパイプとヒートシンクにより熱を拡散させ、Ｂは、ＬＥＤが主な熱源であって、ファンとヒートシンクにより熱を拡散させ、Ｃは、ＬＥＤ、電気モータ及びエンジンが主な熱源であって、ヒートシンクにより熱を拡散させ、本発明のＤは、ＬＥＤとエンジンが主な熱源であって、第１及び２の放熱モジュールにより熱を拡散させる。

前記表１から分かるように、本発明は、ファンやヒートシンクを備えなくても、最も低い熱抵抗を示しており、最も優れた放熱性能を備えていることを確認することができる。このような本発明の放熱性能により、融雪(ＳｎｏｗＭｅｌｔｉｎｇ)、霜取り(Ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ)、露取り(Ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ)、曇り防止(Ｄｅｆｏｇｇｉｎｇ)効果を実現することができる。

さらに、Ａは、ヒートパイプとヒートシンクを熱拡散部材として用いることにより、高重量であるという問題点を有し、Ｂは、ファンとヒートシンクを熱拡散部材として用いることにより、ファンの信頼性、騒音、コスト高の問題点があり、Ｃは、大型放熱板としてのヒートシンクのみを熱拡散部材として用いることにより、高重量であるという問題点を有するが、本発明は、ファンとヒートシンクを備えなくても、上述した優れた放熱性能の以外に、最大８０％重量を減らすことができるのみでなく、騒音及び信頼性の確保問題を解決できる効果も実現することができる。

図２で説明したように、本発明による放熱装置及び照明装置は、ヒートシンクがなくても、優れた放熱効果を実現できるが、放熱性をより増加させるために、図４に示すように、第１の放熱モジュール１００の下部にヒートシンク３４０を配置しても良い。また、図２で説明した表面処理層は、図３及び図４の照明装置にも適用することが可能である。

図５及び以下の表２は、ファンが備えられた従来の車両用照明装置と本発明による車両用照明装置のレンズの内部及び表面温度を比較した放熱性能の実験結果を示す。

図５及び表２には、ファンの省略された本発明による車両用照明装置が、ファンの備えられた従来の車両用照明装置に比べ、レンズの内部及び表面温度をより短時間内に上昇させるのみでなく、レンズの内部及び表面の最高温度もより高めることができることが示されている。これにより、本発明は、従来の車両用照明装置に比べて放熱性のみでなく、放射率もより高く、ファンの省略にも関わらず、より優れた放熱効果を実現し、光学基板に積雪した雪や氷結を溶かすことができる融雪(ＳｎｏｗＭｅｌｔｉｎｇ)、霜取り(Ｄｅｆｒｏｓｔｉｎｇ)、露取り(Ｄｅｍｉｓｔｉｎｇ)、曇り防止(Ｄｅｆｏｇｇｉｎｇ)効果も実現できることが分かる。

図６は、本発明による第２の部材に熱可塑性樹脂を適用した車両用照明装置Ａと一般的なプラスチック材のベゼルが適用された車両用照明装置Ｂのアウトレンズの透過シミュレーションの結果を示したものである。

図６には、ＡとＢの両方が同じ条件のアウトレンズ(屈折率：１.５６、吸収係数：３.８[ｃｍ^-１]、散乱係数：１２.８[ｃｍ^-１])を装着し、Ａでは第２の部材として熱伝導率が５Ｗ/ｍＫである熱可塑性樹脂を適用し、Ｂでは、熱伝導率が０.２Ｗ／ｍＫであるポリカーボネートを適用した結果、ＡがＢに比べて４Ｗの追加熱を放出できることが示されている。これにより、本発明での第２の部材により放射効率が向上し、レンズの外部の熱流束(ＨｅａｔＦｌｕｘ)が増加することにより、融雪、霜取り、露取り、曇り防止効果を実現できることが分かる。

図７は、表面処理層がない放熱装置と本発明による表面処理層が形成された放熱装置の熱抵抗に対する実験結果を示したものである。

図７には、陽極酸化(Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ)処理、ＣＮＴ(ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ)やシリコンコーティング又は粉体塗装などによって表面処理層の形成された本発明による放熱装置が、表面処理層の形成されていない放熱装置に比べ、最大２０％以上の放射率を増加させることができることが示されている。これにより、第２の部材の輻射放射率が低くても、第１の部材の表面に形成された表面処理層により放射率を改善させることができることが分かる。

１０、３３０ハウジング
２０ＬＥＤモジュール
３０、３４０ヒートシンク
４０冷却ファン
１００第１の放熱モジュール
２００第２の放熱モジュール
２１０第１の部材
２２０積層部
２３０第２の部材
３１０光源モジュール
３２０光学部材

Claims

光源モジュールから発生する熱を受ける第１の放熱モジュールと、
前記第１の放熱モジュールに延長され、前記の受けた熱を伝達する第１の部材と前記第１の部材から伝達される熱を光出射空間に放射する第２の部材とを含む第２の放熱モジュールと、
を含む放熱装置。
前記第１の部材と前記第２の部材は、
熱伝導性が互いに異なる材質である請求項１に記載の放熱装置。
前記第２の部材は、
前記第１の部材の輻射放射率(ＲａｄｉａｎｔＥｍｉｓｓｉｏｎＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ)よりも高い材質である請求項１又は２に記載の放熱装置。
前記第１の放熱モジュールと前記第１の部材は、熱伝導性金属を含む請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の放熱装置。
前記第２の部材は熱伝導性材料を含む請求項４に記載の放熱装置。
前記熱伝導性材料は、
ＰＰＳ(ＰｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅＳｕｌｆｉｄｅ)、ＬＣＰ(ＬｕｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ)、ＰＣ(Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ)又はナイロンのうちいずれか１つである請求項５に記載の放熱装置。
前記第１の部材の表面に輻射放射率増加用表面処理層をさらに含む請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の放熱装置。
前記表面処理層は、
前記第１の放熱モジュールから遠ざかるほど輻射放射率が増加する請求項７に記載の放熱装置。
前記表面処理層は、
陽極酸化(Ａｎｏｄｉｚｉｎｇ)処理、ＣＮＴ(ＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅ)やシリコンのコーティング層である請求項７又は８に記載の放熱装置。
前記第１の部材及び前記第２の部材、
又は前記第１の放熱モジュール及び前記第２の放熱モジュールのうち少なくともいずれか１つはインサート射出成形による一体型構造である請求項１〜９のうちいずれか１項に記載の放熱装置。
前記第２の放熱モジュールは、
前記第１の部材と前記第２の部材が積層された積層部をさらに含む請求項１〜１０のうちいずれか１項に記載の放熱装置。
前記第２の部材と前記積層部はインサート射出成形による一体型構造である請求項１１に記載の放熱装置。
前記第１の放熱モジュールの下部にヒートシンクをさらに含む請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の放熱装置。
請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の放熱装置と、
前記第１の放熱モジュール上に実装されて光を出射する光源モジュールと、
前記第２の部材の末端部に光学部材とをさらに含む照明装置。
請求項１４による放熱装置と、
前記第２の部材の端部に固定される車両用光学部材と、
前記第１の放熱モジュール上に実装されて前記車両用光学部材に光を出射する光源モジュールと、
を含む車両用照明装置。