JP2015198079A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤ素子の高集積化を図り小型、軽量で、高照度化を実現する放熱効率を向上させたＬＥＤ照明装置を提供する。
【解決手段】 本発明は直列に複数のＬＥＤ素子３を配列する回路基板１０と絶縁基板９、熱伝導性基板８からなる積層体に、ＬＥＤ素子を配置する回路基板の所定の位置に貫通口を設け、該貫通口に熱伝導性の柱状部材１３を挿入し、該柱状部材の回路基板側に突出した平坦部にＬＥＤ素子３を実装し、熱伝導基板側に突出した柱状部材に放熱フィン１４が形成されたＬＥＤ照明モジュール４を該ＬＥＤ照明モジュールの取り付け部を設けたモジュール保持基板１１に並行して複数取り付けてＬＥＤ照明ユニット６とし該ＬＥＤ照明ユニットを複数取り付け可能な取り付け機構を設けた円筒型枠体２に放熱フィンを内側にして装着して多数個のＬＥＤ素子を３６０°配置し、放熱部が円筒内に配置されることで煙突効果により放熱効率を向上してＬＥＤ素子の高集積化を図った高照度ＬＥＤ照明装置。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を少なくとも二つ以上を集積実装した放熱特性に優れる高照度ＬＥＤ照明装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を光源とする照明は、低消費電力であり長寿命化が進んだことから環境配慮の面だけでなく原油価格の高騰に伴う電力料金の削減の要請から普及が急速に拡大している。液晶ディスプレイのバックライトへの応用から一般家庭の室内照明、オフィスの照明、自動車のヘッドライト等の車載ＬＥＤ照明から街路灯、看板灯等広い分野での照明へも、ＬＥＤ照明の置き換えが進んでいる。

以上のように普及が進む中ＬＥＤ照明装置の更なる用途拡大には装置がより小型であり、高照度照明へ向けた装置の集積化が容易で廉価である事が熱望されている。更には、高輝度化の進むＬＥＤ素子を集積化してより高照度を必要とする街灯、作業灯、集魚灯等の分野に於いてメタルハライドランプ等が使用されているがより省エネ、環境問題からＬＥＤ照明装置への期待は益々高まっている。

しかしながら、このＬＥＤ照明の発光源であるＬＥＤ素子は熱に非常に弱く、許容温度を超えると発光効率が低下し、また素子の寿命も短くなる問題がある。これらの問題に鑑みて本発明者らは先に出願した特許文献１に於いてＬＥＤ素子を取り付ける熱伝達に優れた柱状部材を貫通する穴を設けた熱伝導性基板、絶縁基板、回路基板に該柱状部材を該配線基板と該熱伝導性基板からそれぞれ突出する様に挿入し、該柱状部材の回路基板側の端面にＬＥＤ素子を実装し、該熱伝導性基板側に突出した該柱状部材に連続して熱伝導性の放熱フィンを接続することでＬＥＤ素子の発熱を直接放熱フィンに伝達する構成とすることで従来のＬＥＤ照明装置に比べて放熱効率を改良し、小型化、軽量化、高集積化を図ったＬＥＤ照明装置を提案する。

しかしながら、より高照度化を目指す上でＬＥＤ素子の高集積化ではより高い放熱性が重要になる。特に、これからのＬＥＤ照明の用途拡大が期待される街路灯、作業灯、集魚灯等の分野に於いては、ＬＥＤ素子の数十から数百個以上に渡る高集積化を図りより高照度の照明が望まれている。

例えば特許文献２には高集積化にあたりＬＥＤ素子直下に放熱輸送部を設け、更に別途に輸送部に接続する放熱部を設けていることが開示されている。これもＬＥＤ素子を多数並べるとその分放熱輸送部を大きくする必要に迫られ照明装置の小型軽量化には更なる改善が必要と考えられる。

一方、ＬＥＤ照明装置の関連である電子機器分野に於いては同様のＩＣチップからの発熱を如何に効率よく放熱するかの類似の課題がある。例えば、特許文献３にはパソコンのディスプレー背面に発熱を誘導し、外背面を囲い上部に排熱口を設ける事で熱の放熱循環を促進する煙突効果を実現して効果的な放熱を行っていることが開示されている。

同様にＬＥＤ照明分野においても特許文献４には、上記と同様の煙突効果による放熱を効果的に行えることが開示されている。本文件に於いてはＬＥＤ素子の実装面から、それぞれに放熱フィンを有する内筒と外筒を設け、この内筒と外筒の間の空間を形成して煙突効果により放熱性高めている。

しかしながら本文件の構成ではＬＥＤ素子の高集積化を図ると充分な放熱効果を得るのは困難と考えられる。何故ならば放熱は一つの発熱源と放熱手段が一対一である事が効果的であるが本願の目的とする数十から数百以上のＬＥＤ素子を集積するには、その放熱にはより大きな内筒と外筒が必要になり求められる小型化、軽量化が困難になると考えられ、高照度ＬＥＤ照明装置には不向きである。

煙突効果による放熱性を改善した提案としては他に特許文献５に開示されてあるが、この構成ではＬＥＤ素子を多数集積するには大型になり小型軽量化には不向きである。

特願２０１３−２４５４１８ 特開２０１１−２３３６３５号広報 特開平９−２１２２５８号広報 特開２００９−１６３９５５号広報 特開２０１２−２２８１７号広報

発明が解決しようとする課題

高照度を必要とする街灯、作業灯、集魚灯等の分野に於いてより省エネ、環境問題から高輝度化の進むＬＥＤ素子を集積化して高照度ＬＥＤ照明装置への要望がある。ＬＥＤ素子の高集積化にはＬＥＤ素子の駆動から発生する熱を如何に放熱するかが大きな課題である。また一方、照明装置として小形、軽量、廉価である事も重要である。

本発明は放熱効率を著しく改善したＬＥＤ照明装置の集積化を図ると共に煙突効果の導入により、更に放熱性を高めて高照度のＬＥＤ照明装置を提供するものである。

課題を解決する為の手段

本発明は上記課題に鑑みて、ＬＥＤ素子の高集積化を図り高照度化を実現する為に放熱効率を向上させたものである。

上記目的を達成するために、熱伝導性に優れた柱状部材を少なくとも二つ以上を貫通する穴を設けた回路基板、絶縁基板、熱伝導性基板に該柱状部材を該回路基板と該熱伝導性基板からそれぞれ突出する様に挿入し、該柱状部材の回路基板側の端面にＬＥＤ素子を実装し、該熱伝導性基板側に突出した該柱状部材に連続して熱伝導性の放熱フィンが形成されたＬＥＤ照明装置モジュールを一枚のモジュール保持基板に少なくとも二つ以上を配置したＬＥＤ照明ユニットが少なくとも１つが筒状形状枠体に取り付けられたＬＥＤ照明装置である。

更には前記ＬＥＤ照明モジュールに於いてＬＥＤ素子を少なくとも二つ以上を前記回路基板上に配列した事を特徴とするＬＥＤ照明装置である。

また、本発明は前記ＬＥＤ照明装置に於いて少なくとも一つのＬＥＤ照明ユニットで覆われる筒状枠体の他の部分がカバー部材で覆われている事を特徴とするＬＥＤ照明装置である。

更に、本発明は前記筒状形状が円筒形であり、ＬＥＤ照明ユニットが少なくとも三ユニットで構成されてなるＬＥＤ照明装置である。

前記円筒形の一端が他方端よりも拡大して略円錐形状であるＬＥＤ照明装置。

前記ＬＥＤ照明ユニットを保持する枠体が筒状形態に該ＬＥＤ照明ユニットを交換可能に保持部１９を設けてあることを特徴とする前記のＬＥＤ照明装置である。

前記筒状枠体の端部周囲にスカートが設けられた事を特徴とする前記のＬＥＤ照明装置である。

前記ＬＥＤ照明ユニットが上下に空隙を設けて二つ以上が筒状枠体に配置された事を特徴とする前記のＬＥＤ照明装置である。

前記筒状枠体が略円錐形であって全周を前記ＬＥＤ照明ユニットが三つで構成されていることを特徴とする前記のＬＥＤ照明装置である。

前記枠体が筒状形態の拡大した方向に筒状を保持して延伸した部分を有する事を特徴とする前記のＬＥＤ照明装置である。

発明の効果

本発明に係るＬＥＤ照明装置においては、ＬＥＤ素子から放熱フィンまでを最短で熱伝導性部材で直結する事で放熱効率が上がり、更に円筒状に、しかも下方へ向かって縮径する構成にした事により煙突効果も格段に向上して放熱効率を向上させることによりＬＥＤ素子の集積が可能となり、高照度のＬＥＤ照明装置が実現できた。

本発明の実施の形態１に関するＬＥＤ照明装置の全体の構成図を示す図である。 実施の形態１の詳細を説明する図である。図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ’断面、図２（ｃ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ’断面。 本発明に係るＬＥＤ照明モジュールの一例を説明する詳細図である。図３（ａ）は上面図、図３（ｂ）は正面図、図３（ｃ）は側面図。 本発明に係るＬＥＤモジュールを構成するＬＥＤ素子の実装部の一例を示す断面図、図４（ａ）は組み立てる前の状態、図４（ｂ）は組み立て後の状態。 実施の形態２に関するＬＥＤ照明装置の図である。図５（ａ）はＬＥＤ発光面保護カバー部材がない状態、図５（ｂ）実施の形態２にＬＥＤ発光面保護カバー部材を取り付けたＬＥＤ照明装置の図である。 実施の形態３に関するＬＥＤ照明装置の図である。 実施の形態４に関するＬＥＤ照明装置の図である。 実施の形態５に関するＬＥＤ照明装置の図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（実施の形態１）

図１は、本発明の実施の形態に係る照明装置の全体構成図である。図２は、該照明装置の詳細説明図であり、図３は該照明装置の主要構成要素であるＬＥＤ照明モジュールの詳細構成で、図４はＬＥＤ照明モジュールを構成するＬＥＤ素子の実装部の一例を示す断面図。

図１に於いて電力を供給する為のソケット１８を有する円筒形のアルミ製の枠体２にＬＥＤ素子３が７つ直列に実装されたＬＥＤ照明モジュール４を５列にモジュール保持基板として熱伝導性基板である炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）１５に取り付けたＬＥＤ照明ユニット６，７が上下に二枚で間隔を置いて一面を構成し、全三面、６つのＬＥＤ照明ユニットで円筒形となした全方位型のＬＥＤ照明装置１である。

本装置は下方側に向かって縮径しており、ＬＥＤ照明モジュールは、この縮径に沿ってより下方側のモジュール間ピッチが狭まっている。より詳細には、このＬＥＤ照明装置モジュールを取り付けたＬＥＤ照明装置ユニット６、７に於いて、より上部に取り付けたＬＥＤ照明装置ユニット６を構成するＬＥＤ照明モジュール４のモジュール間ピッチは縮径角に沿ってＬＥＤ照明装置ユニット７のピッチより広く配列されている。また、該ＬＥＤ照明装置ユニットは円周を三面で構成することから一ユニットが１２０°の湾曲形状をしている。本実施例は３面であるがＬＥＤ照明ユニットを構成するＬＥＤ照明モジュールの数により多面体とすることは可能である。

次に、図１のＬＥＤ照明装置１のより詳細な構成について図２を用いて説明する。図１に於いてＬＥＤ素子が７個実装されたＬＥＤ照明装置モジュール４が一面１２０°の保持基板である熱伝導性の良いＣＦＲＰ基板１５に５列取り付けたＬＥＤ照明装置ユニット６、７が取り付けられている。図２（ｂ）中のＡ−Ａ’で切り出した断面である。図２（ａ）ではＬＥＤ素子３から伸びた銅製の放熱フィン１４が円筒の中心に向かって配列した構成となっている。

一方、Ｂ−Ｂ’で切り出した断面である図２（ｃ）からはＬＥＤ素子に連結されている放熱フィンがＬＥＤ照明装置１の下方に向かって縮径している側で円周を取り巻く放熱フィン距離が近づき下方では放熱フィン密度がより高く、上方に行くに従い放熱フィン密度が下がっていく事が判る。即ち、本実施例に於けるＬＥＤ照明装置１では下方側がＬＥＤ素子による発熱密度が高く（温度が高い）、一方、上方側では発熱密度が相対的に低下（下方よりは温度は低い）する構成となっている。

以上の様に本実施例におけるＬＥＤ照明装置１は下方側の温度が相対的に高く円筒形状をなし、しかも上下面が開放系の構成をとった事で煙突効果により円筒内の流速が増大し、流速が増大することにより境界層が薄くなり、同時に通過する空気の量も増える事から、円筒内における放熱フィン１４の表面から流速を増した空気へ効率的に熱を伝達する事ができ大幅に放熱効率を上げる事が出来た。

図１に於いて総ＬＥＤ素子の数が２１０個の構成であるが素子への供給電流を５００ｍＡまでしても十分な放熱により高照度ＬＥＤ装置を得ることが出来た。

ここで、ＬＥＤ素子３と放熱フィン１４を実装している構成について以下に説明を加える。図４（ａ）図４（ｂ）にその構成を示した。熱伝導性基板８であるＣＦＲＰにガラスエポキシ製の絶縁基板９を積層し、その上にニッケル銀メッキをした銅製の回路基板１０を積層した積層板を形成し、回路基板上の所定の位置に該積層板を貫通して一端に平坦部、他端にネジ部を有する銅製の柱状部材１３を平坦部が回路基板１０側に来る様に挿入し、該平坦部にＬＥＤ素子３をダイボンディングし、ＬＥＤ素子と回路基板の所定の場所と金製のワイヤーボンディング１２をなしＬＥＤ素子回路を形成する。

一方、該柱状部材１３のＣＦＲＰ側に突出した部分に銅製の放熱フィンをねじ込み連結した。本構成ではＬＥＤ素子から放熱フィンまでが熱伝導部材で一対一で直結した構成になっているので放熱効果が格段に向上している事がわかる。

以上、実施の形態１について説明をした。ＬＥＤ素子から放熱フィンまでを最短で熱伝導性部材で直結する事で放熱効率が上がり、更に円筒状に、しかも下方へ向かって縮径する構成にした事により煙突効果も格段に向上してＬＥＤ素子を多数配列した高照度ＬＥＤ装置を実現できた。

（実施の形態２）
図５（ａ）は実施の形態１よりも煙突効果を高めた実施の形態である。本実施の形態では円筒形の最短径となっている枠体の下部全周に渡り先広がりのホーン形状のスカート１６を取り付けたものである。スカート１６を取り付けることでスカートに沿って流れる空気の流速は円筒中心より２から３割程度速くなり、即ち空気の流量が上がり放熱フィンの積極的な放熱が行われＬＥＤ素子からの放熱は更に効果的であった。

これはスカート１６に沿って流入する空気の速度が円筒内のＬＥＤ照明ユニットのＣＦＰＲ近傍で上昇することにより円筒内の中心方向の圧力が相対的に低下し、この圧力差がより空気の流速を高め放熱効果を大きなものにしたと考えられる。

図５（ｂ）は図５（ａ）のＬＥＤ照明装置の発光面を覆う部材ＬＥＤ発光面保護カバー２１を取り付けたものである。発光面に保護カバーを設けることで外乱に強い信頼性の高いＬＥＤ照明装置とする事が出来た。

（実施の形態３）
図６は、筒状形態を三角形にした例である。三角柱をした枠体の一面にＬＥＤ照明モジュール４をＣＦＲＰ基板に５つ配列した平面型のＬＥＤ照明ユニット５を取り付けた形態である。他の面はＬＥＤ照明装置のカバーとしてプラスティック製の板材カバー部材１７で放熱フィンを囲むように取り付けて、柱状となした。その結果、下部からの熱により柱状内において上昇気流が形成されて、効率的にＬＥＤ素子からの放熱が促進される事が確認された。本実施の形態では一面にのみＬＥＤ照明ユニットを取り付けたが他の二面もＬＥＤ照明ユニットを取り付けても同様の効果が得られるのは明らかである。

（実施の形態４）
図７は、筒状形態を四角形にした例である。四角柱をした枠体の一面にＬＥＤ照明モジュールをＣＦＲＰ基板１５に６つ配列した平面型のＬＥＤ照明ユニット６を上下に空気の流入可能な空間を設けて取り付けた形態である。他の面はＬＥＤ照明装置のカバーとしてプラスティック製のカバー部材１７で放熱フィンを囲むように取り付けてし、柱状となした。その結果、下部からの熱により柱状内において上昇気流が形成されて、効率的にＬＥＤ素子からの放熱が促進される事が確認された。

また、ＬＥＤ照明ユニットを上下に空間を設けたことで筒状枠体内への空気の流入効率も上がり更なる放熱効果が高まることが確認できた。更には、屋外使用時の強風における内圧の上昇、外圧の上昇に対して圧力を緩和する効果も認められた。

本実施の形態では一面にのみＬＥＤ照明ユニットを取り付けたが他の三面もＬＥＤ照明ユニットを取り付けても同様の効果が得られるのは明らかである。

（実施の形態５）
図８は、実施の形態４に放熱の為の煙突効果をより高めた形態である。四角柱の枠体の上部に延伸するようにカバー部材１７を伸ばして取り付けた。四角形のカバーの延長は実用面を考慮してＬＥＤ照明モジュールの長さ程度とした。本構成で放熱効果を確認したところ実施の形態４よりも更に放熱効果が認められた。これは本発明におけるＬＥＤ照明モジュールからなるＬＥＤ照明装置への煙突効果の適用が如何に放熱効率を上げるものであることを明らかにしている。

以上、実施の形態１〜５で説明されたＬＥＤ素子を高集積化したＬＥＤ照明装置は、本発明を説明する一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変形、改造は当然に含むものである。

１ 照明装置
２ 枠体
３ ＬＥＤ素子
４ ＬＥＤ照明モジュール
５ ５列のＬＥＤ照明ユニット
６、７、ＬＥＤ照明ユニット
８ 熱伝導性基板
９ 絶縁基板
１０ 回路基板
１１ モジュール保持基板
１２ 金ワイヤー
１３ 柱状部材
１４ 放熱フィン
１５ ＣＦＲＰ基板
１６ スカート
１７ カバー部材
１８ ソケット
１９ ＬＥＤ照明ユニット交換用保持部
２０ リフレクター
２１ ＬＥＤ発光面保護カバー
２２ 熱伝導性連結部材
２３ 留め具ボルトナット

Claims (10)

1. 熱伝導性に優れた柱状部材を少なくとも二つ以上を貫通する穴を設けた回路基板、絶縁基板、熱伝導性基板に、該柱状部材を該回路基板と該熱伝導性基板とからそれぞれ突出する様に挿入し、該柱状部材の回路基板側の端面にＬＥＤ素子を実装し、該熱伝導性基板側に突出した該柱状部材に連続して熱伝導性の放熱フィンが練通されたＬＥＤ照明装置モジュールを一枚の基板に少なくとも二つ以上を配置したＬＥＤ照明ユニットが少なくとも１つが筒状形状枠体に取り付けられたＬＥＤ照明装置。
2. 前記ＬＥＤ照明モジュールに於いてＬＥＤ素子を少なくとも二つ以上を直列に前記回路基板上に配列した事を特徴とする請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 前記ＬＥＤ照明装置に於いて少なくとも一つのＬＥＤ照明ユニットで覆われる筒状枠体の他の部分がカバー部材で覆われている事を特徴とする請求項１ないし請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記筒状形状が円筒形であり、ＬＥＤ照明ユニットが少なくとも三ユニットで構成されてなる請求項１ないし請求項２に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記円筒形の一端が他方端よりも拡大して略円錐形状である請求項１ないし請求項２および請求項４に記載のＬＥＤ照明装置。
6. 前記ＬＥＤ照明ユニットを保持する枠体が筒状形態に該ＬＥＤ照明ユニットを交換可能に保持部を設けてあることを特徴とする請求項１ないし請求項５に記載のＬＥＤ照明装置。
7. 前記筒状枠体の端部周囲にスカートが設けられた事を特徴とする請求項１ないし請求項６に記載のＬＥＤ照明装置。
8. 前記ＬＥＤ照明ユニットが上下に空隙を設けて二つ以上が筒状枠体に配置された事を特徴とする請求項１ないし請求項７に記載のＬＥＤ照明装置。
9. 請求項８に記載の筒状枠体が略円錐形であって全周を前記ＬＥＤ照明ユニットが三つで構成されたことを特徴とするＬＥＤ照明装置。
10. 前記枠体が筒状形態の拡大した方向に筒状を保持して延伸した部分を有する事を特徴とする請求項１ないし請求項９に記載のＬＥＤ照明装置。

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