JP2015028961A - 放熱用ヒートシンク及び半導体発光素子を用いた照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた放熱効果を有すると共に大幅な軽量化を実現できる放熱用ヒートシンク及び半導体発光素子を用いた照明装置を提供する。【解決手段】放熱用ヒートシンクは、発熱源に固着又は一体化された熱伝導基板と、この熱伝導基板に一端が熱的に結合しており、熱伝導基板から離れる方向に伸長している複数の放熱板と、複数の放熱板の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状の第１のコイル状フィン列とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、放熱用ヒートシンク及びこの放熱用ヒートシンクを用いかつ発光ダイオード（ＬＥＤ）素子等の半導体発光素子を用いた照明装置に関する。

特許文献１及び２には、背面に複数の放熱フィンを平行に立設してなるベースプレートの表面上のＬＥＤからの熱を放熱するためのヒートシンクが開示されている。このヒートシンクでは、ベースプレート又は各放熱フィンにスリット若しくは孔を形成し、そのスリット若しくは孔の面積の総和を各放熱フィンの表面積の総和に対して１／５〜４／５に設定している。

特開２０１３−０９３１６９号公報 特開２０１３−０９３４１９号公報

これら特許文献１及び２に記載されている照明装置は、各放熱フィンが矩形プレートで構成されているため、空気と接触する表面積がさほど大きくならず、また、放熱フィン内部を通過する空気量も多くはならないため、空気の対流による放熱効果をさほど期待することができなかった。しかも、全体の重量が重くなるため、高所や荷重をかけられない支持部に設置することが難しかった。

従って本発明の目的は、優れた放熱効果を有すると共に大幅な軽量化を実現できる放熱用ヒートシンク及び半導体発光素子を用いた照明装置を提供することにある。

本発明によれば、放熱用ヒートシンクは、発熱源に固着又は一体化された熱伝導基板と、この熱伝導基板に一端が熱的に結合しており、熱伝導基板から離れる方向に伸長している複数の放熱板と、複数の放熱板の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状の第１のコイル状フィン列とを備えている。

熱伝導基板に立設した放熱板の表面及び裏面に複数列のコイル状フィン列が配列されているため、発熱源からの熱が熱伝導基板から放熱板に、さらにコイル状フィン列に伝導されてこのコイル状フィン列から放熱されることによる放熱効果はもちろんのこと、対流によって生じた空気の流れが複数の放熱板に沿って移動するエントツ効果が生じてその空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を多量に通過することから、コイル状フィンとの接触による空気への熱伝導が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。しかも、コイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、大幅な軽量化を実現することができる。

熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、複数の放熱板が中心軸部材に対して放射状に配設された複数の矩形状板部材から構成されていることが好ましい。この場合、複数の矩形状板部材の各々が、この矩形状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の貫通孔を内部に有する金属板部材から構成されているか、又は、複数の矩形状板部材の各々が、中実の金属板部材から構成されていることがより好ましい。

各矩形状板部材が複数の貫通孔を内部に有している場合、複数の貫通孔を矩形状板部材の一方の表面に開口する切り欠き部か、又は各矩形状板部材が一端が複数の貫通孔にそれぞれ連通し、他端が矩形状板部材の一方の表面に開口する連通孔を下方に有していることがより好ましい。

熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、複数の放熱板が中心軸部材と同軸にかつ中心軸部材とは離隔して周方向に沿って配設された複数の円弧状板部材から構成されていることも好ましい。この場合、複数の円弧状板部材の各々が、この円弧状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の長溝を両面に有する金属板部材から構成されていることがより好ましい。この場合、各円弧状板部材が、一端が複数の長溝にそれぞれ開口し、他端が円弧状板部材の表面に開口する連通孔を下方に有していることがより好ましい。

熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、複数の放熱板が中心軸部材と同軸に中心軸部材とは離隔して周方向に沿って配設された複数の平板状板部材から構成されていることも好ましい。この場合、複数の平板状板部材の各々が、この平板状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の貫通孔を内部に有する金属板部材から構成されていることがより好ましい。この場合、各平板状板部材が、一端が複数の貫通孔にそれぞれ連通し、他端がこの平板状板部材の一方の表面に開口する連通孔を下方に有していることがより好ましい。

複数列の第１のコイル状フィン列が、複数の長溝にそれぞれ嵌合して固着されていることもより好ましい。

中心軸部材が、中心軸部材に沿って伸長する複数の長溝を周囲に有する円筒形状の柱部材と、柱部材の複数の長溝にそれぞれ嵌合して固着され、複数の長溝に沿って伸長している複数列の扁平形状の第２のコイル状フィン列とを備えていることも好ましい。この場合、複数列の第２のコイル状フィン列の各列が、金属線材がコイル状に巻回され、巻回単位が隣接する巻回単位に相互に位置ずれして空隙部及び接触部が形成されているコイル状フィン列からなることも好ましい。

また、複数列の第１のコイル状フィン列の各列が、金属線材がコイル状に巻回され、巻回単位が隣接する巻回単位に相互に位置ずれして空隙部及び接触部が形成されているコイル状フィン列からなることも好ましい。

本発明によれば、さらに、発熱源である複数の半導体発光素子及び複数の半導体発光素子が装着された半導体発光素子基板と、半導体発光素子基板の光照射面とは異なる面に固着又は一体化されている前述の放熱用ヒートシンクとを備えている半導体発光素子を用いた照明装置が提供される。

本発明によれば、発熱源からの熱が熱伝導基板から放熱板に、さらにコイル状フィン列に伝導されてこのコイル状フィン列から放熱されることによる放熱効果はもちろんのこと、対流によって生じた空気の流れが複数の放熱板に沿って移動するエントツ効果が生じてその空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を多量に通過することから、コイル状フィンとの接触による空気への熱伝導が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。しかも、コイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、大幅な軽量化を実現することができる。

本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第１の実施形態における全体構成を概略的に示す斜視図である。 第１の実施形態における照明装置の側面図である。 第１の実施形態における照明装置の底面図である。 第１の実施形態における放熱板の構成を示す斜視図である。 第１の実施形態におけるコイル状フィン列の一部の構成を示す平面図である。 第１の実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱作用を説明する図である。 第１の実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性図である。 図７ａの温度特性の測定位置を説明するための図である。 本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第２の実施形態における全体構成を概略的に示す斜視図である。 第２の実施形態における照明装置の側面図である。 第２の実施形態における照明装置の底面図である。 第２の実施形態における放熱板を示す斜視図である。 第２の実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性図である。 図１２ａの温度特性の測定位置を説明するための図である。 本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第３の実施形態における全体構成を概略的に示す斜視図である。 第３の実施形態における照明装置の側面図である。 第３の実施形態における照明装置の底面図である。 第３の実施形態における放熱板を示す斜視図である。 第３の実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性図である。 図１７ａの温度特性の測定位置を説明するための図である。 本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第４の実施形態における全体構成を概略的に示す斜視図である。 第４の実施形態における照明装置の側面図である。 第４の実施形態における照明装置の底面図である。 第４の実施形態における放熱板を示す斜視図である。 第４の実施形態における照明装置の平面図である。 第４の実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性図である。 図２３ａの温度特性の測定位置を説明するための図である。

図１は本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第１の実施形態における全体構成を概略的に示しており、図２は本実施形態における照明装置の側面を示しており、図３は本実施形態における照明装置の底面を示している。ただし、図３においては、後述する放熱用ヒートシンク１２の第１のコイル状フィン列１５についてその一部のみが示されている。

これらの図において、１０は前面（図１及び図２においては下方に示した面）１０ａが照射面である本実施形態では円板形状のＬＥＤ基板、１１はＬＥＤ基板１０上に搭載された複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子、１２はＬＥＤ基板１０の照射面とは反対側の裏面１０ｂが固着された放熱用ヒートシンクをそれぞれ示している。

ＬＥＤ基板１０は、絶縁性がありかつ熱伝導性の良い材料を用いて円板形状に形成されている。例えばセラミックや金属に絶縁被覆を被着させたものを用いることができる。ＬＥＤ基板１０の表面１０ａ上には、本実施形態においては複数の大出力のチップ型ＬＥＤ素子１１が任意の配列で搭載されている。このＬＥＤ基板１０はその裏面１０ｂが放熱用ヒートシンク１２の熱伝導基板１３に直接的に固着され支持されている。ＬＥＤ素子１１は、擬似白色ＬＥＤ素子、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び／又は青色ＬＥＤ素子のいずれであっても良い。ＬＥＤ素子１１の数及びその配列は任意である。ＬＥＤ基板１０の表面上には、ＬＥＤ素子１１の図示されていない電極、抵抗、及びこれらと電気的に接続されているプリント配線が形成されている。これらプリント配線は例えば図示されていないソケットを介して外部の電源ケーブルに接続されている。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１１及びＬＥＤ基板１０にカバーが被せられていない構成とされているが、実際の照明装置では、ＬＥＤ素子１１及びＬＥＤ基板１０がケーシング内に水密的に収容されていることが多い。

放熱用ヒートシンク１２は、ＬＥＤ基板１０が一方の面に固着された熱伝導基板１３と、この熱伝導基板１３の他方の面に一端が熱的に結合するように固着されており、熱伝導基板１３から垂直に伸長している複数の放熱板１４と、複数の放熱板１４の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板１４の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状の第１のコイル状フィン列１５と、熱伝導基板１３の中央部においてこの熱伝導基板１３に一端が熱的に結合するように固着されており、この熱伝導基板１３から垂直に立ち上がる柱部材１６と、柱部材１６の周面に固着されその立ち上がり方向（伸長方向）に沿って複数列に配列された扁平形状の第２のコイル状フィン列１７とを備えている。本実施形態における柱部材１６及び第２のコイル状フィン列１７が本発明の中心軸部材に対応している。

熱伝導基板１３は、熱伝導性の平板（本実施形態では円盤状の平板）であり、ＬＥＤ基板１０の裏面１０ｂが固着されて熱的に接続されているか、又はＬＥＤ基板１０の底板の一部であっても良い。この場合の固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法が用いられる。熱伝導基板１３は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。

本実施形態においては、複数の放熱板１４は、柱部材１６と同軸にかつこの柱部材１６とは離隔して周方向に沿って配設された４つの円弧状の金属板部材から構成されている。金属板部材として本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、又はこれらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料で形成されていても良い。複数の放熱板１４の熱伝導基板１３への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図４は本実施形態における放熱板１４の構成を示している。同図に示すように、各放熱板１４には、その外表面１４ａ及び内表面（柱部材１６と対向する面）１４ｂに、放熱板１４の伸長方向に沿って互いに平行に伸長する複数の長溝１８及び１９がそれぞれ形成されている。さらに、放熱板１４の下方（熱伝導基板１３に近い部分）には、一端が外表面１４ａの複数の長溝１８にそれぞれ開口し、他端が内表面１４ｂに直接開口する複数の連通孔２０が設けられている。図示されていないが、放熱板１４の下方（熱伝導基板１３に近い部分）には、一端が内表面１４ｂの複数の長溝１９にそれぞれ開口し、他端が外表面１４ａに直接開口する複数の連通孔が設けられている。

各放熱板１４の外表面１４ａ及び内表面１４ｂに設けられたこれら複数の長溝１８及び１９の各々には、図１〜図３に示すように、第１のコイル状フィン列１５が嵌め込まれて固着されている。第１のコイル状フィン列１５の長溝１８及び１９への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図１及び図３に示すように、柱部材１６は、この柱部材１６に沿って伸長する複数の長溝２１を周囲に有する円筒形状に構成されており、この柱部材１６の一端は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法により熱伝導基板１３に固着されており熱結合されている。柱部材１６の各長溝２１には第２のコイル状フィン列１７が嵌め込まれて固着されている。第２のコイル状フィン列１７の長溝２１への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。柱部材１６は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。柱部材１６の下方（熱伝導基板１３に近い部分）に、その円筒形状の壁を貫通する複数の連通孔２２（図６参照）を設けても良い。

図５は本実施形態におけるコイル状フィン列の一部の構成を示している。同図に示すように、第１のコイル状フィン列１５及び第２のコイル状フィン列１７を構成するフィンコイル５０は、金属線材がコイル状に巻回されて扁平な帯状に形成されている。

即ち、本実施形態では、フィンコイル５０は、コイル状の金属線材が全体が扁平となるように連続形成され、各巻回単位５１が相互に幅方向と長手方向に位置ずれして交差して、空隙部５２と接触部５３とを形成している。特に、各巻回単位５１が相互に位置ずれしているため多数の空隙部５２及び接触部５３が形成される。そして、金属線材が扁平に形成されているため、各巻回単位５１が相互に接触した接触部５３の接触面積が大きくなる。ここで巻回単位５１とは、金属線材がそれぞれコイル状に巻回されたときの各金属線材の１回転する単位を指している。

具体的には、左巻きに巻回されたコイル状の金属線材５０ａと、右巻きに巻回されたコイル状の金属線材５０ｂとが組み合わされる。そして、圧延等の手段により各金属線材５０ａ及び５０ｂを扁平に形成することによって、帯状のフィンコイル５０が得られる。この圧延の際には、金属線材の帯形の中心部分が内側（重合わせの内部側）に折曲げられると共に、金属線材の重合わせの表側の部分が圧潰されて中心部分に扁平な面が形成される。また、外側に突出している金属線材の中心部分が内側に折曲げられて厚さが削減され、端部に金属線材が複雑に錯綜した凹凸構造が形成される。

なお、各巻回単位５１が相互に接触した接触部５３は、半田付け、半田メッキ、接着剤又は粘着剤等の接着手段や、振動溶接又はフラッシュ溶接等の接合手段を用いて接触した線材同士が離れないように固定することで、伝熱抵抗を減少させるための熱的結合を行うことができる。接触部５３が固定されることで、巻回単位の相互の密着が確実に行われ、フィンコイル５０全体の機械的安定性が向上し、また接触部５３を介した熱伝導性も向上する。

このフィンコイル５０についても、熱伝導基板１３の場合と同様に種々の材質から構成することができる。具体的には、アルミニウム、ステンレス、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、又はこれらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金等を挙げることができる。本実施形態では、フィンコイルは、熱伝導性が高くかつ低コストのアルミニウムから形成されている。

フィンコイル５０のコイル径は、特に限定されることなく、要求される放熱性能に応じて適宜設定することができる。一般には、コイル径が大きくなると表面積が増加し、放熱性が向上する。具体的には、ヒートシンクの用途によっても異なるが、数ｍｍ〜数ｃｍ程度が適当である。金属線材の径も特に限定されることはなく、この径を小さくしてフィンコイル５０を密にするほど表面積が増加し放熱性が向上するので、素材の強さや放熱性に応じて設計する。

本実施形態における放熱用ヒートシンク１２の全体寸法は、熱伝導基板１３の径が約３００ｍｍ、熱伝導基板１３の厚みを含めた放熱板１４の高さが約２２５ｍｍであり、放熱用ヒートシンク１２の重量は約６．７６ｋｇである。また、この熱伝導基板１３に同軸に固着されたＬＥＤ基板１０の径は約１２０ｍｍである。

図６は本実施形態における放熱用ヒートシンク１２の放熱作用を説明している。同図から分かるように、ＬＥＤ素子１１から発生した熱がＬＥＤ基板１０及び熱伝導基板１３を介して放熱板１４及び柱部材１６に素早くかつ効率的に伝導し、さらに第１及び第２のコイル状フィン列１５及び１７に素早く伝導され、第１及び第２のコイル状フィン列１５及び１７から空気中に放熱される。その際、第１のコイル状フィン列１５内部、及び隣接する第１のコイル状フィン列１５間の間隙に対流６０が生じ、さらに第２のコイル状フィン列１７内部、及び隣接する第２のコイル状フィン列１７間の間隙に対流６１が生じることによって大量の空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を通過する。また、４つの放熱板１４及び柱部材１６によって空気の流れが軸方向に規制されており、このため、気流は放熱板１６及び柱部材１８に沿って上方に流れて上端開口から放出される。気流が上端開口から放出されると、この４つの放熱板１４及び柱部材１６の間には、外部から内部へ空気を取り込もうとする、いわゆる煙突効果が働く。そのため、放熱板１４の下方に設けられた複数の連通孔２０を介して外部からの空気が流れ込み、対流６２が生じて、コイル状フィン列との接触による空気への熱伝導及び空気の対流が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。

特にフィンコイルが扁平化されていることで、熱交換面積を削減することなく軸中心部分の空間にコイルが充填されているので表面積が大きく、また隣接する巻回単位の密着部分を通じて熱が速やかに伝導する。前述したように、コイル状フィン列を構成するフィンコイル５０は、隣接する巻回単位５１が幅方向に湾曲しつつ配置され、空隙部５２が湾曲する筒状にわたって形成されており、巻回単位５１が幅方向に湾曲することで、この空隙部５２が拡大されている。即ち、フィンコイル５０が筒状の内側に向けて湾曲することにより、空隙部５２のうち、筒状外部の空隙部は筒状内部の空隙部よりも拡大され、そのため、筒状外部から内部に向かう気流が発生しやすくなり、筒状外部の空気を取り込みやすくなっている。

また、前述したように、フィンコイル５０は、それぞれ異なる向きに巻回され、扁平なコイル状の金属線材５０ａ及び５０ｂを組み合わせることで、金属線材５０ａ及び５０ｂが密集して密に形成され、そのため金属線材５０ａ及び５０ｂとの相互の間で熱が伝導しやすく、フィンコイル５０全体に伝熱され、放熱性能も高くなっている。さらに、フィンコイル５０は、空気との接触面積が大きくなり、空気の通気孔としての機能も高くなっている。従って、空気はフィンコイル５０の空隙部を通過し、放熱板１４や熱伝導基板１３の熱を速やかに除去することが可能となる。また、それぞれ左巻き及び右巻きの金属線材５０ａ及び５０ｂ同士が良好に絡み合っているため、形態の安定性が付与されている。そのため製造しやすいほか、使用している際も破損しにくい。

柱部材１６は熱伝導性の良好なアルミニウムで構成され、熱伝導基板１３に熱的に接続されているので、柱部材１６も、熱伝導基板１３の熱を接触する空気と熱交換する作用を有する。また、図６に示すように、柱部材１６を筒状に形成し、その下部にこの筒状の壁を貫通する連通孔２２を設ければ、柱部材１６の内部においても対流６３が発生し、熱交換の効率を高めることができる。

フィンコイルを形成する金属線材は、単線又は縒線とすることができる。単線は一本の線材からなるもので、曲げやすくある程度の太さのあるものであれば縒線よりも一定の形状に整えやすく維持しやすい。そのため単線による金属線材は加工が容易である。また、単線による金属線材はコストが低廉である。縒線（又は撚線）は２本以上の複数の線材をまとめ、又は縒り合わせた線材を指す。単線をまとめ又は縒り合わせた後に上述した被覆を行ったものや、上述した被覆を行った単線をまとめ又は縒り合わせたもの（撚対線）を含む。縒線は表面に凹凸が多く単線よりも表面積が大きいためより高い熱交換効率を得られ、単線よりも耐久性も高い。

また、本実施形態によれば、放熱用フィンとしてコイル状のフィンである第１のコイル状フィン列１５及び第２のコイル状フィン列１７を用いており、このようなコイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、放熱用ヒートシンク１２全体を従って照明装置全体を大幅に軽量化することができる。

図７ａは本実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性を示しており、図７ｂはこの温度特性の測定位置を説明している。

図７ａに示す温度特性は、本実施形態の放熱用ヒートシンク１２において、図７ｂに示すごとく、熱伝導基板１３の下面にＬＥＤ基板１０に代えてセラミックヒータ１０′を取付けて約４００Ｗの電力を印加した際の種々の位置における温度の対時間変化特性を示している。即ち、Ａ１はセラミックヒータ１０′自体の温度、Ａ２は熱伝導基板１３の中央部の上面の温度、Ａ３は熱伝導基板１３の外周部の上面の温度、Ａ４は柱部材１６の頂部の温度、Ａ５は放熱板１４の上下中間位置の温度、Ａ６は室内温度をそれぞれ示している。セラミックヒータ１０′自体の温度Ａ１を除いて、いずれの位置においても、５０分後の温度は、１００℃を超えていない。因みに、セラミックヒータ２４への印加電圧は１１８Ｖ、電流は３．３Ａ、電力は３８９Ｗであった。電力印加開始後、５３分経過後は、温度がほぼ飽和しており、セラミックヒータ１０′自体の温度Ａ１が１４５．７℃、熱伝導基板１３の中央部の上面の温度Ａ２が１００．６℃、熱伝導基板１３の外周部の上面の温度Ａ３が９３．２℃、柱部材１６の頂部の温度Ａ４が８７．１℃、放熱板１４の上下中間位置の温度Ａ５が７８．４℃、室内温度Ａ６が２５．６℃であった。また、熱抵抗は０．１９９℃／Ｗであった。

以上述べた第１の実施形態の放熱用ヒートシンク１２によれば、煙突効果によって大きな対流が生じて放熱効果に優れるが、４つの円弧状の放熱板１４の内側に流入する空気量がさほど大きくないこともあって、熱抵抗は０．１９９℃／Ｗである。また、重量は約６．７６ｋｇと比較的軽量となる。

図８は本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第２の実施形態における全体構成を概略的に示しており、図９は本実施形態における照明装置の側面を示しており、図１０は本実施形態における照明装置の底面を示している。ただし、図１０においては、後述する放熱用ヒートシンク８２の第１のコイル状フィン列８５についてその一部のみが示されている。

これらの図において、８０は前面（図８及び図９においては下方に示した面）８０ａが照射面である本実施形態では円板形状のＬＥＤ基板、８１はＬＥＤ基板８０上に搭載された複数のＬＥＤ素子、８２はＬＥＤ基板８０の照射面とは反対側の裏面８０ｂが固着された放熱用ヒートシンクをそれぞれ示している。

ＬＥＤ基板８０は、絶縁性がありかつ熱伝導性の良い材料を用いて円板形状に形成されている。例えばセラミックや金属に絶縁被覆を被着させたものを用いることができる。ＬＥＤ基板８０の表面８０ａ上には、本実施形態においては複数の大出力のチップ型ＬＥＤ素子８１が任意の配列で搭載されている。このＬＥＤ基板８０はその裏面８０ｂが放熱用ヒートシンク８２の熱伝導基板８３に直接的に固着され支持されている。ＬＥＤ素子８１は、擬似白色ＬＥＤ素子、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び／又は青色ＬＥＤ素子のいずれであっても良い。ＬＥＤ素子８１の数及びその配列は任意である。ＬＥＤ基板８０の表面上には、ＬＥＤ素子８１の図示されていない電極、抵抗、及びこれらと電気的に接続されているプリント配線が形成されている。これらプリント配線は例えば図示されていないソケットを介して外部の電源ケーブルに接続されている。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子８１及びＬＥＤ基板８０にカバーが被せられていない構成とされているが、実際の照明装置では、ＬＥＤ素子８１及びＬＥＤ基板８０がケーシング内に水密的に収容されていることが多い。

放熱用ヒートシンク８２は、ＬＥＤ基板８０が一方の面に固着された熱伝導基板８３と、この熱伝導基板８３の他方の面に一端が熱的に結合するように固着されており、熱伝導基板８３から垂直に伸長している複数の放熱板８４と、複数の放熱板８４の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板８４の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状の第１のコイル状フィン列８５と、熱伝導基板８３の中央部においてこの熱伝導基板８３に一端が熱的に結合するように固着されており、この熱伝導基板８３から垂直に立ち上がる柱部材８６と、柱部材８６の周面に固着されその立ち上がり方向（伸長方向）に沿って複数列に配列された扁平形状の第２のコイル状フィン列８７とを備えている。本実施形態における柱部材８６及び第２のコイル状フィン列８７が本発明の中心軸部材に対応している。

熱伝導基板８３は、熱伝導性の平板（本実施形態では円盤状の平板）であり、ＬＥＤ基板８０の裏面８０ｂが固着されて熱的に接続されているか、又はＬＥＤ基板８０の底板の一部であっても良い。この場合の固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法が用いられる。熱伝導基板８３は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。

本実施形態においては、複数の放熱板８４は、その中央部が柱部材８６と同軸にかつこの柱部材８６とは離隔して周方向に沿って配設された８つの平板状の金属板部材から構成されている。金属板部材として本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、又はこれらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料で形成されていても良い。複数の放熱板８４の熱伝導基板８３への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図１１は本実施形態における放熱板８４の構成を示している。同図に示すように、各放熱板８４には、その内部に放熱板８４の伸長方向に沿って互いに平行に伸長する矩形断面の複数の長孔９３が形成されている。さらに、放熱板８４の下方（熱伝導基板８３に近い部分）には、複数の長孔９３にそれぞれ連通しており、一端がこの放熱板８４の外表面８４ａにそれぞれ開口し、他端が内表面（柱部材８６と対向する面）８４ｂに直接開口する複数の連通孔９４が設けられている。

各放熱板８４の外表面８４ａ及び内表面８４ｂには、図８〜図１０に示すように、扁平な第１のコイル状フィン列８５がほぼ垂直に固着されている。第１のコイル状フィン列８５の放熱板８４への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図８及び図１０に示すように、柱部材８６は、この柱部材８６に沿って伸長する複数の長溝９１を周囲に有する円筒形状に構成されており、この柱部材８６の一端は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法により熱伝導基板８３に固着されており熱結合されている。柱部材８６の各長溝９１には第２のコイル状フィン列８７が嵌め込まれて固着されている。第２のコイル状フィン列８７の長溝９１への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。柱部材８６は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。柱部材８６の下方（熱伝導基板８３に近い部分）に、その円筒形状の壁を貫通する複数の連通孔を設けても良い。

第１及び第２のコイル状フィン列８５及び８７の構成及び作用効果は第１の実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態における放熱用ヒートシンク８２の全体寸法は、熱伝導基板８３の径が約３００ｍｍ、熱伝導基板８３の厚みを含めた放熱板８４の高さが約２２５ｍｍであり、放熱用ヒートシンク８２の重量は約６．４８ｋｇである。また、この熱伝導基板８３に同軸に固着されたＬＥＤ基板８０の径は約１２０ｍｍである。

第１の実施形態において放熱作用の説明に用いた図６からも分かるように、本実施形態においては、ＬＥＤ素子８１から発生した熱がＬＥＤ基板８０及び熱伝導基板８３を介して放熱板８４及び柱部材８６に素早くかつ効率的に伝導し、さらに第１及び第２のコイル状フィン列８５及び８７に素早く伝導され、第１及び第２のコイル状フィン列８５及び８７から空気中に放熱される。その際、第１のコイル状フィン列８５内部、及び隣接する第１のコイル状フィン列８５間の間隙に対流６０（図６参照）が生じ、さらに第２のコイル状フィン列８７内部、及び隣接する第２のコイル状フィン列８７間の間隙に対流６１（図６参照）が生じることによって大量の空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を通過する。また、８つの放熱板８４及び柱部材８６によって空気の流れが軸方向に規制されており、このため、気流は放熱板８６及び柱部材８８に沿って上方に流れて上端開口から放出される。気流が上端開口から放出されると、この８つの放熱板８４及び柱部材８６の間には、外部から内部へ空気を取り込もうとする、いわゆる煙突効果が働く。そのため、放熱板８４の下方に設けられた複数の連通孔９４を介して外部からの空気が流れ込み、対流６２（図６参照）が生じて、コイル状フィン列との接触による空気への熱伝導及び空気の対流が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。さらに、放熱板８４の内部に設けられた長孔９３を介しても対流が生じるため、空気への熱伝導及び空気の対流がさらに良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。

特にフィンコイルが扁平化されていることで、熱交換面積を削減することなく軸中心部分の空間にコイルが充填されているので表面積が大きく、また隣接する巻回単位の密着部分を通じて熱が速やかに伝導する。図５を参照して述べたように、コイル状フィン列を構成するフィンコイル５０は、隣接する巻回単位５１が幅方向に湾曲しつつ配置され、空隙部５２が湾曲する筒状にわたって形成されており、巻回単位５１が幅方向に湾曲することで、この空隙部５２が拡大されている。即ち、フィンコイル５０が筒状の内側に向けて湾曲することにより、空隙部５２のうち、筒状外部の空隙部は筒状内部の空隙部よりも拡大され、そのため、筒状外部から内部に向かう気流が発生しやすくなり、筒状外部の空気を取り込みやすくなっている。

また、前述したように、フィンコイル５０は、それぞれ異なる向きに巻回され、扁平なコイル状の金属線材５０ａ及び５０ｂを組み合わせることで、金属線材５０ａ及び５０ｂが密集して密に形成され、そのため金属線材５０ａ及び５０ｂとの相互の間で熱が伝導しやすく、フィンコイル５０全体に伝熱され、放熱性能も高くなっている。さらに、フィンコイル５０は、空気との接触面積が大きくなり、空気の通気孔としての機能も高くなっている。従って、空気はフィンコイル５０の空隙部を通過し、放熱板８４や熱伝導基板８３の熱を速やかに除去することが可能となる。また、それぞれ左巻き及び右巻きの金属線材５０ａ及び５０ｂ同士が良好に絡み合っているため、形態の安定性が付与されている。そのため製造しやすいほか、使用している際も破損しにくい。

柱部材８６は熱伝導性の良好なアルミニウムで構成され、熱伝導基板８３に熱的に接続されているので、柱部材８６も、熱伝導基板８３の熱を接触する空気と熱交換する作用を有する。また、柱部材８６を筒状に形成し、その下部にこの筒状の壁を貫通する連通孔を設ければ、柱部材８６の内部においても対流６３（図６参照）が発生し、熱交換の効率を高めることができる。

フィンコイルを形成する金属線材は、単線又は縒線とすることができる。単線は一本の線材からなるもので、曲げやすくある程度の太さのあるものであれば縒線よりも一定の形状に整えやすく維持しやすい。そのため単線による金属線材は加工が容易である。また、単線による金属線材はコストが低廉である。縒線（又は撚線）は２本以上の複数の線材をまとめ、又は縒り合わせた線材を指す。単線をまとめ又は縒り合わせた後に上述した被覆を行ったものや、上述した被覆を行った単線をまとめ又は縒り合わせたもの（撚対線）を含む。縒線は表面に凹凸が多く単線よりも表面積が大きいためより高い熱交換効率を得られ、単線よりも耐久性も高い。

また、本実施形態によれば、放熱用フィンとしてコイル状のフィンである第１のコイル状フィン列８５及び第２のコイル状フィン列８７を用いており、このようなコイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、放熱用ヒートシンク８２全体を従って照明装置全体を大幅に軽量化することができる。

図１２ａは本実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性を示しており、図１２ｂはこの温度特性の測定位置を説明している。

図１２ａに示す温度特性は、本実施形態の放熱用ヒートシンク８２において、図１２ｂに示すごとく、熱伝導基板８３の下面にＬＥＤ基板８０に代えてセラミックヒータ８０′を取付けて約４００Ｗの電力を印加した際の種々の位置における温度の対時間変化特性を示している。即ち、Ｂ１はセラミックヒータ８０′自体の温度、Ｂ２は熱伝導基板８３の中央部の上面の温度、Ｂ３は熱伝導基板８３の外周部の上面の温度、Ｂ４は柱部材８６の頂部の温度、Ｂ５は放熱板８４の上下中間位置の温度をそれぞれ示している。セラミックヒータ８０′自体の温度Ｂ１を除いて、いずれの位置においても、４３分後の温度は、１０５℃を超えていない。因みに、セラミックヒータ８０′への印加電圧は１２０Ｖ、電流は３．４Ａ、電力は４０８Ｗであった。電力印加開始後、４５分経過後は、温度がほぼ飽和しており、セラミックヒータ８０′自体の温度Ｂ１が１４６．４℃、熱伝導基板８３の中央部の上面の温度Ｂ２が１０４．５℃、熱伝導基板８３の外周部の上面の温度Ｂ３が９５．４℃、柱部材８６の頂部の温度Ｂ４が８５．８℃、放熱板８４の上下中間位置の温度Ｂ５が９６．３℃、室内温度が２５．５℃であった。また、熱抵抗は０．１９℃／Ｗであった。

以上述べた第２の実施形態の放熱用ヒートシンク８２によれば、８つの放熱板８４の間隙から多量の空気がこれら放熱板８４で囲む内側に流入するため、大きな対流が生じて優れた煙突効果が得られる。また、放熱板８４内にも長孔９３を介して空気流が通るため優れた煙突効果が得られる。従って、熱抵抗は０．１９℃／Ｗであり、重量は長孔９３を有する放熱板８４を用いていることも相まって約６．４８ｋｇとかなり軽量となる。

図１３は本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第３の実施形態における全体構成を概略的に示しており、図１４は本実施形態における照明装置の側面を示しており、図１５は本実施形態における照明装置の底面を示している。ただし、図１５においては、後述する放熱用ヒートシンク１３２のコイル状フィン列１３５についてその一部のみが示されている。

これらの図において、１３０は前面（図１３及び図１４においては下方に示した面）１３０ａが照射面である本実施形態では円板形状のＬＥＤ基板、１３１はＬＥＤ基板１３０上に搭載された複数のＬＥＤ素子、１３２はＬＥＤ基板１３０の照射面とは反対側の裏面１３０ｂが固着された放熱用ヒートシンクをそれぞれ示している。

ＬＥＤ基板１３０は、絶縁性がありかつ熱伝導性の良い材料を用いて円板形状に形成されている。例えばセラミックや金属に絶縁被覆を被着させたものを用いることができる。ＬＥＤ基板１３０の表面１３０ａ上には、本実施形態においては複数の大出力のチップ型ＬＥＤ素子１３１が任意の配列で搭載されている。このＬＥＤ基板１３０はその裏面１３０ｂが放熱用ヒートシンク１３２の熱伝導基板１３３に直接的に固着され支持されている。ＬＥＤ素子１３１は、擬似白色ＬＥＤ素子、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び／又は青色ＬＥＤ素子のいずれであっても良い。ＬＥＤ素子１３１の数及びその配列は任意である。ＬＥＤ基板１３０の表面上には、ＬＥＤ素子１３１の図示されていない電極、抵抗、及びこれらと電気的に接続されているプリント配線が形成されている。これらプリント配線は例えば図示されていないソケットを介して外部の電源ケーブルに接続されている。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１３１及びＬＥＤ基板１３０にカバーが被せられていない構成とされているが、実際の照明装置では、ＬＥＤ素子１３１及びＬＥＤ基板１３０がケーシング内に水密的に収容されていることが多い。

放熱用ヒートシンク１３２は、ＬＥＤ基板１３０が一方の面に固着された熱伝導基板１３３と、この熱伝導基板１３３の他方の面に一端が熱的に結合するように固着されており、熱伝導基板１３３から垂直に伸長している複数の放熱板１３４と、複数の放熱板１３４の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板１３４の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状のコイル状フィン列１３５と、熱伝導基板１３３の中央部においてこの熱伝導基板１３３に一端が熱的に結合するように固着されており、この熱伝導基板１３３から垂直に立ち上がる柱部材１３６とを備えている。

熱伝導基板１３３は、熱伝導性の平板（本実施形態では円盤状の平板）であり、ＬＥＤ基板１３０の裏面１３０ｂが固着されて熱的に接続されているか、又はＬＥＤ基板１３０の底板の一部であっても良い。この場合の固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法が用いられる。熱伝導基板１３３は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。

本実施形態においては、複数の放熱板１３４は、それらの一方の側端が柱部材１３６に固着されかつこの柱部材１３６から放射方向に伸長して等角度間隔で配設された１２個の平板状の金属板部材から構成されている。金属板部材として本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、又はこれらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料で形成されていても良い。複数の放熱板１３４の熱伝導基板１３３及び柱部材１３６への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図１６は本実施形態における放熱板１３４の構成を示している。同図に示すように、各放熱板１３４は中実の平板状の金属板部材で構成されており、長溝や貫通孔や長孔は設けられていない。

各放熱板１３４の一方の表面１３４ａ及び他方の表面１３４ｂには、図１３〜図１５に示すように、扁平なコイル状フィン列１３５がその表面１３４ａ及び１３４ｂとほぼ平行となるように固着されている。これらコイル状フィン列１３５の放熱板１３４への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図１３及び図１５に示すように、柱部材１３６は、円筒形状に構成されており、この柱部材１３６の一端は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法により熱伝導基板１３３に固着されており熱結合されている。柱部材１３６には、前述の通り、１２個の放熱板１３４が固着されている。１２個の放熱板１３４の柱部材１３６への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。柱部材１３６は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。柱部材１３６の下方（熱伝導基板１３３に近い部分）に、その円筒形状の壁を貫通する複数の連通孔を設けても良い。

コイル状フィン列１３５の構成及び作用効果は第１の実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。

本実施形態における放熱用ヒートシンク１３２の全体寸法は、熱伝導基板１３３の径が約３００ｍｍ、熱伝導基板１３３の厚みを含めた放熱板１３４の高さが約２５０ｍｍであり、放熱用ヒートシンク１３２の重量は約９．２９ｋｇである。また、この熱伝導基板１３３に同軸に固着されたＬＥＤ基板１３０の径は約１２０ｍｍである。

第１の実施形態において放熱作用の説明に用いた図６からも分かるように、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１３１から発生した熱がＬＥＤ基板１３０及び熱伝導基板１３３を介して放熱板１３４及び柱部材１３６に素早くかつ効率的に伝導し、さらにコイル状フィン列１３５に素早く伝導され、これらコイル状フィン列１３５から空気中に放熱される。その際、コイル状フィン列１３５内部、及び隣接するコイル状フィン列１３５間の間隙に対流６０（図６参照）が生じることによって大量の空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を通過する。また、１２個の放熱板１３４及び柱部材１３６によって空気の流れがある程度軸方向に規制されており、このため、気流は放熱板１３４及び柱部材１３６に沿って上方に流れて上端開口から放出される。気流が上端開口から放出されると、この１２個の放熱板１３４の間には、外部から内部へ空気を取り込もうとする、いわゆる煙突効果が働く。そのため、放熱板１３４の間には外部からの空気が流れ込み、対流６２（図６参照）が生じて、コイル状フィン列との接触による空気への熱伝導及び空気の対流が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。

特にフィンコイルが扁平化されていることで、熱交換面積を削減することなく軸中心部分の空間にコイルが充填されているので表面積が大きく、また隣接する巻回単位の密着部分を通じて熱が速やかに伝導する。図５を参照して述べたように、コイル状フィン列を構成するフィンコイル５０は、隣接する巻回単位５１が幅方向に湾曲しつつ配置され、空隙部５２が湾曲する筒状にわたって形成されており、巻回単位５１が幅方向に湾曲することで、この空隙部５２が拡大されている。即ち、フィンコイル５０が筒状の内側に向けて湾曲することにより、空隙部５２のうち、筒状外部の空隙部は筒状内部の空隙部よりも拡大され、そのため、筒状外部から内部に向かう気流が発生しやすくなり、筒状外部の空気を取り込みやすくなっている。

また、前述したように、フィンコイル５０は、それぞれ異なる向きに巻回され、扁平なコイル状の金属線材５０ａ及び５０ｂを組み合わせることで、金属線材５０ａ及び５０ｂが密集して密に形成され、そのため金属線材５０ａ及び５０ｂとの相互の間で熱が伝導しやすく、フィンコイル５０全体に伝熱され、放熱性能も高くなっている。さらに、フィンコイル５０は、空気との接触面積が大きくなり、空気の通気孔としての機能も高くなっている。従って、空気はフィンコイル５０の空隙部を通過し、放熱板１３４や熱伝導基板１３３の熱を速やかに除去することが可能となる。また、それぞれ左巻き及び右巻きの金属線材５０ａ及び５０ｂ同士が良好に絡み合っているため、形態の安定性が付与されている。そのため製造しやすいほか、使用している際も破損しにくい。

柱部材１３６は熱伝導性の良好なアルミニウムで構成され、熱伝導基板１３３に熱的に接続されているので、柱部材１３６も、熱伝導基板１３３の熱を接触する空気と熱交換する作用を有する。また、柱部材１３６を筒状に形成し、その下部にこの筒状の壁を貫通する連通孔を設ければ、柱部材１３６の内部においても対流６３（図６参照）が発生し、熱交換の効率を高めることができる。

フィンコイルを形成する金属線材は、単線又は縒線とすることができる。単線は一本の線材からなるもので、曲げやすくある程度の太さのあるものであれば縒線よりも一定の形状に整えやすく維持しやすい。そのため単線による金属線材は加工が容易である。また、単線による金属線材はコストが低廉である。縒線（又は撚線）は２本以上の複数の線材をまとめ、又は縒り合わせた線材を指す。単線をまとめ又は縒り合わせた後に上述した被覆を行ったものや、上述した被覆を行った単線をまとめ又は縒り合わせたもの（撚対線）を含む。縒線は表面に凹凸が多く単線よりも表面積が大きいためより高い熱交換効率を得られ、単線よりも耐久性も高い。

また、本実施形態によれば、放熱用フィンとしてコイル状のフィンであるコイル状フィン列１３５を用いており、このようなコイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、放熱用ヒートシンク１３２全体を従って照明装置全体を大幅に軽量化することができる。

図１７ａは本実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性を示しており、図１７ｂはこの温度特性の測定位置を説明している。

図１７ａに示す温度特性は、本実施形態の放熱用ヒートシンク１３２において、図１７ｂに示すごとく、熱伝導基板１３３の下面にＬＥＤ基板１３０に代えてセラミックヒータ１３０′を取付けて約４００Ｗの電力を印加した際の種々の位置における温度の対時間変化特性を示している。即ち、Ｃ２は熱伝導基板１３３の中央部の上面の温度、Ｃ３は熱伝導基板１３３の外周部の上面の温度、Ｃ４は柱部材１３６の頂部の温度、Ｃ５は放熱板１３４の上下中間位置の温度、Ｃ６は室内温度をそれぞれ示している。いずれの位置においても、４９分後の温度は、９５℃を超えていない。因みに、セラミックヒータ１３０′への印加電圧は１２０Ｖ、電流は３．４Ａ、電力は４０８Ｗであった。電力印加開始後、５０分経過後は、温度がほぼ飽和しており、熱伝導基板１３３の中央部の上面の温度Ｃ２が９２．２℃、熱伝導基板１３３の外周部の上面の温度Ｃ３が８５．２℃、柱部材１３６の頂部の温度Ｃ４が６４．０℃、放熱板１３４の上下中間位置の温度Ｃ５が６１．６℃、室内温度が２４．８℃であった。また、熱抵抗は０．１７℃／Ｗであった。

以上述べた第３の実施形態の放熱用ヒートシンク１３２によれば、１２個の放射状の放熱板１３４の間に多量の空気が流入するため、大きな対流が生じて優れた煙突効果が得られる。また、熱伝導基板１３３と放熱板１３４との接合面積が大きくなるため、熱伝導基板１３３から放熱板１３４へと垂直方向の熱伝導が非常に良好となり、煙突効果とも相まって非常に優れた放熱効果が得られる。従って、熱抵抗は０．１７℃／Ｗとなるが、重量は約９．２９ｋｇと、他の実施形態の場合に比して重くなっている。

図１８は本発明の放熱用ヒートシンクを用いた照明装置の第４の実施形態における全体構成を概略的に示しており、図１９は本実施形態における照明装置の側面を示しており、図２０は本実施形態における照明装置の底面を示している。ただし、図２０おいては、後述する放熱用ヒートシンク１８２のコイル状フィン列１８５についてその一部のみが示されている。

これらの図において、１８０は前面（図１８及び図１９においては下方に示した面）１８０ａが照射面である本実施形態では円板形状のＬＥＤ基板、１８１はＬＥＤ基板１８０上に搭載された複数のＬＥＤ素子、１８２はＬＥＤ基板１８０の照射面とは反対側の裏面１８０ｂが固着された放熱用ヒートシンクをそれぞれ示している。

ＬＥＤ基板１８０は、絶縁性がありかつ熱伝導性の良い材料を用いて円板形状に形成されている。例えばセラミックや金属に絶縁被覆を被着させたものを用いることができる。ＬＥＤ基板１８０の表面１８０ａ上には、本実施形態においては複数の大出力のチップ型ＬＥＤ素子１８１が任意の配列で搭載されている。このＬＥＤ基板１８０はその裏面１８０ｂが放熱用ヒートシンク１８２の熱伝導基板１８３に直接的に固着され支持されている。ＬＥＤ素子１８１は、擬似白色ＬＥＤ素子、赤色ＬＥＤ素子、緑色ＬＥＤ素子及び／又は青色ＬＥＤ素子のいずれであっても良い。ＬＥＤ素子１８１の数及びその配列は任意である。ＬＥＤ基板１８０の表面上には、ＬＥＤ素子１８１の図示されていない電極、抵抗、及びこれらと電気的に接続されているプリント配線が形成されている。これらプリント配線は例えば図示されていないソケットを介して外部の電源ケーブルに接続されている。なお、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１８１及びＬＥＤ基板１８０にカバーが被せられていない構成とされているが、実際の照明装置では、ＬＥＤ素子１８１及びＬＥＤ基板１８０がケーシング内に水密的に収容されていることが多い。

放熱用ヒートシンク１８２は、ＬＥＤ基板１８０が一方の面に固着された熱伝導基板１８３と、この熱伝導基板１８３の他方の面に一端が熱的に結合するように固着されており、熱伝導基板１８３から垂直に伸長している複数の放熱板１８４と、複数の放熱板１８４の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、各放熱板１８４の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状のコイル状フィン列１８５と、熱伝導基板１８３の中央部においてこの熱伝導基板１８３に一端が熱的に結合するように固着されており、この熱伝導基板１８３から垂直に立ち上がる柱部材１８６とを備えている。

熱伝導基板１８３は、熱伝導性の平板（本実施形態では円盤状の平板）であり、ＬＥＤ基板１８０の裏面１８０ｂが固着されて熱的に接続されているか、又はＬＥＤ基板１８０の底板の一部であっても良い。この場合の固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法が用いられる。熱伝導基板１８３は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。

本実施形態においては、複数の放熱板１８４は、それらの一方の側端が柱部材１８６に固着されかつこの柱部材１８６から放射方向に伸長して等角度間隔で配設された１２個の平板状の金属板部材から構成されている。金属板部材として本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、又はこれらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料で形成されていても良い。複数の放熱板１８４の熱伝導基板１８３及び柱部材１８６への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図２１は本実施形態における放熱板１８４の構成を示している。同図に示すように、各放熱板１８４には、その内部に放熱板１８４の伸長方向に沿って互いに平行に伸長する矩形断面の複数の長孔１９３が形成されている。さらに、放熱板１８４の下方（熱伝導基板１８３に近い部分）には、これら複数の長孔１９３の全てに連通し、放熱板１８４の下端に沿った切り欠き部１９５が設けられている。従って、複数の長孔１９３は一端が放熱板１８４の上端に開口し、他端が切り欠き部１９５を介してこの放熱板１８４の一方の表面１８４ｂのみに開口していることとなる。これら切り欠き部１９５及び複数の長孔１９３は、空気の流れが放熱板１８４内を通ること（煙突効果）により放熱効果を高めるため、及び放熱用シンク１８２の重量を軽減するために設けられている。切り欠き部１９５に代えて、一端が複数の長孔１９３の他端にそれぞれ連通し、他端が放熱板１８４の一方の表面１８４ｂのみに開口している複数の連通孔を設けても良い。

各放熱板１８４の一方の表面１８４ｂ及び他方の表面１８４ａには、図１８〜図２０に示すように、扁平なコイル状フィン列１８５が表面１８４ａ及び１８４ｂにそれぞれほぼ平行となるように固着されている。コイル状フィン列１８５の放熱板１８４への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。

図１８及び図２０に示すように、柱部材１８６は、円筒形状に構成されており、この柱部材１８６の一端は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法により熱伝導基板１８３に固着されており熱結合されている。柱部材１８６には、前述の通り、１２個の放熱板１８４が固着されている。１２個の放熱板１８４の柱部材１８６への固着は、半田付けや溶接又は各種の接着などの種々の方法によって行われる熱結合である。柱部材１８６は、本実施形態ではアルミニウムで形成されているが、それ以外の熱伝導性の高い材質、例えば、ステンレススチール、鋼鉄、銅、銀若しくは金等の金属材料、これらとニッケル、マグネシウム、亜鉛若しくはケイ素等との合金材料、又は炭素材料等で形成されていても良い。柱部材１８６の下方（熱伝導基板１８３に近い部分）に、その円筒形状の壁を貫通する複数の連通孔を設けても良い。

コイル状フィン列１８５の構成及び作用効果は第１の実施形態の場合と同様であるため、ここでは説明を省略する。

図２２は本実施形態における照明装置の平面を示している。同図に表されているように、放熱用ヒートシンク１８２の熱伝導基板１８３には、ＬＥＤ基板１８０が固着されている部分以外の領域に複数の貫通孔１９６が設けられており、これら貫通孔１９６を介して空気流が熱伝導基板１８３を通過することができるように構成されている。特に、同図に示すように、貫通孔１９６を放熱板１８４の真下に設け、切り欠き部１９５及びその上の複数の長孔１９３に連通して空気の対流がよりスムーズとなるように構成されている。ただし、これら貫通孔１９６の形状、位置及び数は図２２に示したものに限定されないことは明かである。例えば、貫通孔１９６を放熱板１８４の真下のみに設けるように構成しても良い。また、ＬＥＤ基板１８０上に搭載されるＬＥＤ素子１８１の数及び配置が同図に示された例に限定されるものではないことも明かである。

本実施形態における放熱用ヒートシンク１８２の全体寸法は、熱伝導基板１８３の径が約３００ｍｍ、熱伝導基板１８３の厚みを含めた放熱板１８４の高さが約２５０ｍｍであり、放熱用ヒートシンク１８２の重量は約６．９ｋｇである。また、この熱伝導基板１８３に同軸に固着されたＬＥＤ基板１８０の径は約１２０ｍｍである。

第１の実施形態において放熱作用の説明に用いた図６からも分かるように、本実施形態においては、ＬＥＤ素子１８１から発生した熱がＬＥＤ基板１８０及び熱伝導基板１８３を介して放熱板１８４及び柱部材１８６に素早くかつ効率的に伝導し、さらにコイル状フィン列１８５に素早く伝導され、これらコイル状フィン列１８５から空気中に放熱される。その際、コイル状フィン列１８５内部、及び隣接するコイル状フィン列１８５間の間隙に対流６０（図６参照）が生じることによって大量の空気が表面積の大きなコイル状フィンの隙間を通過する。また、１２個の放熱板１８４及び柱部材１８６によって空気の流れがある程度軸方向に規制されており、このため、気流は放熱板１８４及び柱部材１８６に沿って上方に流れて上端開口から放出される。気流が上端開口から放出されると、この１２個の放熱板１８４及び柱部材１８６の間には、外部から内部へ空気を取り込もうとする、いわゆる煙突効果が働く。そのため、放熱板１８４の間から外部からの空気が流れ込み、対流６２（図６参照）が生じて、コイル状フィン列との接触による空気への熱伝導及び空気の対流が非常に良好となり、極めて優れた放熱効果を得ることができる。さらに、放熱板１８４の下方に設けられ、その一方の表面のみに開口する切り込み部１９５及びこれに連通する複数の長孔１９３を介して空気の流れが放熱板１８４の内部を通過するため、さらに優れた放熱効果を得ることができる。加えて、複数の貫通孔１９６を介して空気流が熱伝導基板１８３を通過できる。

特にフィンコイルが扁平化されていることで、熱交換面積を削減することなく軸中心部分の空間にコイルが充填されているので表面積が大きく、また隣接する巻回単位の密着部分を通じて熱が速やかに伝導する。図５を参照して述べたように、コイル状フィン列を構成するフィンコイル５０は、隣接する巻回単位５１が幅方向に湾曲しつつ配置され、空隙部５２が湾曲する筒状にわたって形成されており、巻回単位５１が幅方向に湾曲することで、この空隙部５２が拡大されている。即ち、フィンコイル５０が筒状の内側に向けて湾曲することにより、空隙部５２のうち、筒状外部の空隙部は筒状内部の空隙部よりも拡大され、そのため、筒状外部から内部に向かう気流が発生しやすくなり、筒状外部の空気を取り込みやすくなっている。

また、前述したように、フィンコイル５０は、それぞれ異なる向きに巻回され、扁平なコイル状の金属線材５０ａ及び５０ｂを組み合わせることで、金属線材５０ａ及び５０ｂが密集して密に形成され、そのため金属線材５０ａ及び５０ｂとの相互の間で熱が伝導しやすく、フィンコイル５０全体に伝熱され、放熱性能も高くなっている。さらに、フィンコイル５０は、空気との接触面積が大きくなり、空気の通気孔としての機能も高くなっている。従って、空気はフィンコイル５０の空隙部を通過し、放熱板１８４や熱伝導基板１８３の熱を速やかに除去することが可能となる。また、それぞれ左巻き及び右巻きの金属線材５０ａ及び５０ｂ同士が良好に絡み合っているため、形態の安定性が付与されている。そのため製造しやすいほか、使用している際も破損しにくい。

柱部材１８６は熱伝導性の良好なアルミニウムで構成され、熱伝導基板１８３に熱的に接続されているので、柱部材１８６も、熱伝導基板１８３の熱を接触する空気と熱交換する作用を有する。また、柱部材１８６を筒状に形成し、その下部にこの筒状の壁を貫通する連通孔を設ければ、柱部材１８６の内部においても対流６３（図６参照）が発生し、熱交換の効率を高めることができる。

フィンコイルを形成する金属線材は、単線又は縒線とすることができる。単線は一本の線材からなるもので、曲げやすくある程度の太さのあるものであれば縒線よりも一定の形状に整えやすく維持しやすい。そのため単線による金属線材は加工が容易である。また、単線による金属線材はコストが低廉である。縒線（又は撚線）は２本以上の複数の線材をまとめ、又は縒り合わせた線材を指す。単線をまとめ又は縒り合わせた後に上述した被覆を行ったものや、上述した被覆を行った単線をまとめ又は縒り合わせたもの（撚対線）を含む。縒線は表面に凹凸が多く単線よりも表面積が大きいためより高い熱交換効率を得られ、単線よりも耐久性も高い。

また、本実施形態によれば、放熱用フィンとしてコイル状のフィンであるコイル状フィン列１８５を用いており、このようなコイル状フィンは表面積に比して軽量であるため、放熱用ヒートシンク１８２全体を従って照明装置全体を大幅に軽量化することができる。

図２３ａは本実施形態における放熱用ヒートシンクの放熱特性を説明するための温度特性を示しており、図２３ｂはこの温度特性の測定位置を説明している。

図２３ａに示す温度特性は、本実施形態の放熱用ヒートシンク１８２において、図２３ｂに示すごとく、熱伝導基板１８３の下面にＬＥＤ基板１８０に代えてセラミックヒータ１８０′を取付けて約４００Ｗの電力を印加した際の種々の位置における温度の対時間変化特性を示している。即ち、Ｄ１はセラミックヒータ１８０′自体の温度、Ｄ２は熱伝導基板１８３の中央部の上面の温度、Ｄ３は熱伝導基板１８３の外周部の上面の温度、Ｄ４は柱部材１８６の頂部の温度、Ｄ５は放熱板１８４の上下中間位置の温度、Ｄ６は室内温度をそれぞれ示している。いずれの位置においても、３０分後の温度は、１００℃を超えていない。因みに、セラミックヒータ１８０′への印加電圧は１２０Ｖ、電流は３．４Ａ、電力は４０８Ｗであった。電力印加開始後、３２分経過後は、温度がほぼ飽和しており、熱伝導基板１８３の中央部の上面の温度Ｄ２が９６．３℃、熱伝導基板１８３の外周部の上面の温度Ｄ３が８９．７℃、柱部材１８６の頂部の温度Ｄ４が６２．０℃、放熱板１８４の上下中間位置の温度Ｄ５が５９．７℃、室内温度が２６．９℃であった。また、熱抵抗は０．１７℃／Ｗであった。

以上述べた第４の実施形態の放熱用ヒートシンク１８２によれば、１２個の放射状の放熱板１８４の間に多量の空気が流入するため、大きな対流が生じて優れた煙突効果が得られる。また、熱伝導基板１８３と放熱板１８４との接合面積が大きくなるため、熱伝導基板１８３から放熱板１８４へと垂直方向の熱伝導が非常に良好となり、煙突効果とも相まって非常に優れた放熱効果が得られる。さらに、本実施形態では、放熱板１８４に切り欠き部１９５及び複数の長孔１９３が設けられているため、空気の流れが放熱板１８４内を通る煙突効果も得られ、しかも、放熱用シンク１８２の重量を大幅に軽減することができる。従って、熱抵抗は０．１７℃／Ｗとなると共に、重量は約６．９ｋｇと、非常に軽量である。

以上説明した実施形態では、本発明の放熱用ヒートシンクをＬＥＤ素子使用の照明装置の放熱機構として用いているが、本発明の放熱用ヒートシンクは、その他の光源を利用した照明装置や、例えば半導体装置等のその他種々の装置における放熱機構として使用可能であることはもちろんである。

なお、本発明のＬＥＤ基板としては、上述した実施形態における円形形状以外のその他の形状、例えば矩形形状、三角形形状、多角形形状又はその他の形状であっても良い。

また、半導体発光素子として、ＬＥＤ素子に代えて、半導体レーザアレイ素子又は有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子を用いても良い。

以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

１０、８０、１３０、１８０ ＬＥＤ基板
１０ａ、８０ａ、１３０ａ、１８０ａ 前面
１０ｂ、８０ｂ、１３０ｂ、１８０ｂ 裏面
１１、８１、１３１、１８１ ＬＥＤ素子
１２、８２、１３２、１８２ 放熱用ヒートシンク
１３、８３、１３３、１８３ 熱伝導基板
１４、８４、１３４、１８４ 放熱板
１４ａ、８４ａ 外表面
１４ｂ、８４ｂ 内表面
１５、８５ 第１のコイル状フィン列
１６、８６、１３６、１８６ 柱部材
２０、２２、９４ 連通孔
１７、８７ 第２のコイル状フィン列
１８、１９、２１、９１ 長溝
１０′、８０′、１３０′、１８０′ セラミックヒータ
５０ フィンコイル
５０ａ、５０ｂ 金属線材
５１ 巻回単位
５２ 空隙部
５３ 接触部
６０、６１、６２、６３ 対流
９３、１９３ 長孔
１３４ａ、１８４ａ 一方の表面
１３４ｂ、１８４ｂ 他方の表面
１３５、１８５ コイル状フィン列
１９５ 切り欠き部
１９６ 貫通孔

Claims (17)

1. 発熱源に固着又は一体化された熱伝導基板と、該熱伝導基板に一端が熱的に結合しており、該熱伝導基板から離れる方向に伸長している複数の放熱板と、該複数の放熱板の各々の表面及び裏面にそれぞれ固着され、該各放熱板の伸長方向に沿って複数列で配列されている扁平形状の第１のコイル状フィン列とを備えていることを特徴とする放熱用ヒートシンク。
2. 前記熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、前記複数の放熱板が前記中心軸部材に対して放射状に配設された複数の矩形状板部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱用ヒートシンク。
3. 前記複数の矩形状板部材の各々が、当該矩形状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の貫通孔を内部に有する金属板部材から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の放熱用ヒートシンク。
4. 前記複数の矩形状板部材の各々が、前記複数の貫通孔を当該矩形状板部材の一方の表面に開口する切り欠き部を下方に有していることを特徴とする請求項３に記載の放熱用ヒートシンク。
5. 前記複数の矩形状板部材の各々が、一端が前記複数の貫通孔にそれぞれ連通し、他端が当該矩形状板部材の一方の表面に開口する連通孔を下方に有していることを特徴とする請求項３に記載の放熱用ヒートシンク。
6. 前記前記複数の矩形状板部材の各々が、中実の金属板部材から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の放熱用ヒートシンク。
7. 前記熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、前記複数の放熱板が該中心軸部材と同軸にかつ該中心軸部材とは離隔して周方向に沿って配設された複数の円弧状板部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱用ヒートシンク。
8. 前記複数の円弧状板部材の各々が、当該円弧状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の長溝を両面に有する金属板部材から構成されていることを特徴とする請求項７に記載の放熱用ヒートシンク。
9. 前記複数列の第１のコイル状フィン列が、前記複数の長溝にそれぞれ嵌合して固着されていることを特徴とする請求項８に記載の放熱用ヒートシンク。
10. 前記複数の円弧状板部材の各々が、一端が前記複数の長溝にそれぞれ開口し、他端が当該円弧状板部材の表面に開口する連通孔を下方に有していることを特徴とする請求項８又は９に記載の放熱用ヒートシンク。
11. 前記熱伝導基板から垂直に立ち上がる中心軸部材をさらに備えており、前記複数の放熱板が該中心軸部材と同軸に該中心軸部材とは離隔して周方向に沿って配設された複数の平板状板部材から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱用ヒートシンク。
12. 前記複数の平板状板部材の各々が、当該平板状板部材の伸長方向に沿って伸長する複数の貫通孔を内部に有する金属板部材から構成されていることを特徴とする請求項１１に記載の放熱用ヒートシンク。
13. 前記複数の平板状板部材の各々が、一端が前記複数の貫通孔にそれぞれ連通し、他端が当該平板状板部材の一方の表面に開口する連通孔を下方に有していることを特徴とする請求項１２に記載の放熱用ヒートシンク。
14. 前記中心軸部材が、該中心軸部材に沿って伸長する複数の長溝を周囲に有する円筒形状の柱部材と、該柱部材の前記複数の長溝にそれぞれ嵌合して固着され、該複数の長溝に沿って伸長している複数列の扁平形状の第２のコイル状フィン列とを備えていることを特徴とする請求項７から１３のいずれか１項に記載の放熱用ヒートシンク。
15. 前記複数列の第２のコイル状フィン列の各列が、金属線材がコイル状に巻回され、巻回単位が隣接する巻回単位に相互に位置ずれして空隙部及び接触部が形成されているコイル状フィン列からなることを特徴とする請求項１４に記載の放熱用ヒートシンク。
16. 前記複数列の第１のコイル状フィン列の各列が、金属線材がコイル状に巻回され、巻回単位が隣接する巻回単位に相互に位置ずれして空隙部及び接触部が形成されているコイル状フィン列からなることを特徴とする請求項１から１５のいずれか１項に記載の放熱用ヒートシンク。
17. 前記発熱源である複数の半導体発光素子及び該複数の半導体発光素子が装着された半導体発光素子基板と、前記半導体発光素子基板の光照射面とは異なる面に固着又は一体化されている請求項１から１６のいずれか１項に記載の放熱用ヒートシンクとを備えていることを特徴とする半導体発光素子を用いた照明装置。

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