JP2015500549A - Ｌｅｄランプ放熱器及びｌｅｄ照明器具 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＬＥＤランプ放熱器であって、中空である放熱器本体と、前記放熱器本体の一端を密閉するための放熱器底板とを有するＬＥＤランプ放熱器を提供する。本発明はＬＥＤランプの放熱効果を著しく改善することができる。

Description

本発明はＬＥＤランプ放熱器及びＬＥＤ照明器具に関する。

ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｍｉｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、発光ダイオード）は、高輝度、省エネなどのメリットがあるため、より多くの場面に使用されている。しかし、ＬＥＤ光源の発熱量は一般的に大きいものであり、正常に機能することを確保するため、ＬＥＤ光源を放熱しなればならない。

本発明は、ＬＥＤランプの放熱効果を改善するＬＥＤランプ放熱器及びＬＥＤ照明器具を提供する。

本発明の実施例は、ＬＥＤランプ放熱器であって、中空である放熱器本体と、前記放熱器本体の一端に設置される放熱器底板と、を有するＬＥＤランプ放熱器を提供する。

前記放熱器本体の外壁には、複数のフィンが設けられていてもよい。

好ましくは、前記放熱器底板の中心部の厚さは、前記放熱器底板の周縁部の厚さより大きい。

好ましくは、前記フィンには、前記放熱器本体の外壁と一定の角度があり、前記角度は、９０°より小さく、８０°−４５°の範囲内が好ましく、８０°−６０°の範囲内が更に好ましい。

好ましくは、前記フィンの放熱器本体に近い部分の厚さは、前記フィンの放熱器本体から遠い部分の厚さより大きい。代替的または補充的形態として、前記フィンの放熱器底板に近い部分の高さは、前記フィンの放熱器底板から遠い部分の高さより大きくてもよい。

ある具体例では、前記フィンの放熱器底板に近い部分には、分岐部が設けられている。

前記放熱器底板には、少なくとも一つのＬＥＤシングルランプに対応する穴が設けられている。

好ましくは、前記フィンの平均高さＨは、フィン同士の間隔ｄの３倍−４倍である。

好ましくは、前記フィンの平均厚さｍ、フィンの長さｌ、及びフィン同士の間隔ｄは、
の関係を満たす。

好ましくは、前記放熱器底板の平均厚さＣは、前記フィンの平均厚さｍの２倍−３倍である。

ある具体例では、前記放熱器底板の平均厚さは、４．５ｍｍ−５．８ｍｍである。

ある具体例では、前記放熱器底板の平均厚さは、４．５ｍｍ−５．８ｍｍである。

ある具体例では、前記フィン同士の間隔ｄは、３．３ｍｍ−４．５ｍｍであり、フィンの平均厚さｍは、２．０ｍｍ−２．７ｍｍであり、フィンの平均高さＨは、６．５ｍｍ−９．０ｍｍであり、フィンの長さｌは、４０ｍｍ−５０ｍｍである。

前記フィンの数Ｎは、例えば１６、１８または２０である。

本発明の実施例は、ＬＥＤ照明器具であって、以上に述べたＬＥＤランプ放熱器と、前記ＬＥＤランプ放熱器の中にある少なくとも一つのＬＥＤシングルランプと、を有するＬＥＤ照明器具を提供する。

本発明の実施例の技術を更に明瞭に説明するために、以下に実施例の図面を簡単に紹介する。当然ながら、以下の説明における図面は本発明のいくつかの実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。

本発明の実施例にかかるＬＥＤランプ放熱器の構造模式図である。 本発明の実施例にかかるＬＥＤランプ放熱器の正面模式図である。 本発明の実施例にかかるＬＥＤランプ放熱器の左側面投影図である。 本発明の実施例にかかるＬＥＤランプ放熱器の平面図である。 ＬＥＤランプ放熱器の最高温度とフィン間隔との関係を表す模式図である。 ＬＥＤランプ放熱器の最高温度とフィンの厚さとの関係を表す模式図である。 ＬＥＤランプ放熱器の最高温度と放熱器底板の厚さとの関係を表す模式図である。

本発明の実施例の目的、技術及びメリットをより明確にするため、以下に本発明の実施例の図面を用いて、本発明の実施例の技術を明確、完全に説明する。当然ながら、説明された実施例は、本発明の一部の実施例に過ぎず、すべての実施例ではない。説明された実施例に基づき、当業者が創造的労働を要せずに得られるその他いかなる実施例は、本発明の範囲に含まれる。

図１に示すように、本発明の実施例にかかるＬＥＤランプ放熱器は、中空である放熱器本体１１と、前記放熱器本体１１の外壁に設置される複数のフィン１２と、前記放熱器本体１１の底部を密閉するための放熱器底板１３と、を有する。

更に、図１に示すように、放熱器本体１１は円柱型でもよく、放熱器底板１３は円形でもよい。

更に、放熱器底板１３の中心部の厚さは、放熱器底板１３の周縁部の厚さより大きい。放熱器底板１３の厚さは、中心部から周辺へ逓減してもよく、中心部から周辺へ段階的に減少してもよい。熱源が放熱器の真ん中にあるとき、このような設計は熱伝導に有利であり、熱源から発生する熱量を真ん中から周囲に発散させることができる。

更に、図２に示すように、本発明におけるフィン１２と放熱器本体１１の外壁との間には、一定の角度があり、当該角度は９０°より小さい。即ち、本発明におけるフィンは傾斜型フィンとして設計される。傾斜湾曲型フィンを採用すれば、蓄熱効果は比較的優れており、伝熱面積が比較的大きい反面、バッフル係数も大きくなり、製造プロセスにおける実現困難性が増大してしまう。直線型フィンを採用する場合、バッフル係数が小さくなるが、蓄熱効果は弱く、伝熱面積も比較的小さい。本発明の実施例において、フィンの形態は傾斜型フィンであり、比較的優れた蓄熱効果を確保でき、十分な伝熱面積を持ち、バッフル係数も比較的小さい。

更に、図２及び図３に示すように、フィン１２の放熱器本体１１に近い部分の厚さは、フィン１２の放熱器本体１１から遠い部分の厚さより大きくしてもよい。代替的または補充的な形態として、フィン１２の放熱器底板１３に近い部分の高さは、フィン１２の放熱器底板１３から遠い部分の高さより大きくしてもよい。

好ましくは、本発明のおけるフィン１２の厚さは、フィンの底部からフィンのトップへ逓減する。ただし、フィンの底部とは、フィン１２の放熱器本体１１に近い部分であり、フィントップとは、フィン１２の放熱器本体１１から遠い部分である。熱量は下方から上方に向かって伝わるので、フィンの底部は放熱だけでなく、熱負荷による熱ショックを防ぐために蓄熱も考慮しなければならない。熱量が上方に向かって放熱すると同時に熱量が低下するため、それに応じてフィンの厚さも逓減する。あるいは、フィン１２の厚さは、フィンの底部からトップへ段階的に減少するようにしてもよい。

フィン１２の高さは、下端から上端へ０まで逓減する。ただし、下端とは、フィン１２の放熱器底板１３に近い部分であり、上端とは、フィン１２の放熱器底板１３から遠い部分である。更に、フィン１２の高さは、フィンの下端から上端へ段階的に０まで減少するようにしてもよい。

更に、図２に示すように、フィン１２の下端には、分岐部１５が設置される。これは、熱量がフィンの上位に伝達されたときに放熱面積を増加させるためである。

更に、図４に示すように、放熱器底板１３には、少なくとも一つのＬＥＤシングルランプに対応する穴１４が設けられ、空気の対流を増加させ、放熱効果を向上させる。

本発明の実施例において、ＬＥＤランプ放熱器は、放熱器本体と、放熱器底板と、を有する。放熱器本体の外壁には、複数の傾斜型フィンが設けられていてもよい。フィンの厚さは、フィンの底部からフィンのトップへ逓減し、且つ／あるいは、フィンの高さは、下端から上端へ０まで逓減する。フィンの下端には、分岐部が設置され、ＬＥＤランプが機能する時に発生する熱量は、伝導、対流、放射などによって放熱器本体に送られ、傾斜型フィンに伝達される。傾斜型フィンは、放熱面積を増加することによってＬＥＤランプの放熱効果を改善する。また、放熱器底板の厚さは、中心部から周辺へ逓減し、熱源から発生する熱量を真ん中から周辺へ発散させ、導熱しやすくなっている。放熱器の底板には、複数のＬＥＤシングルランプに対応する穴が設けられていてもよく、空気の対流を増加させ、更に放熱効果を向上させる。

また、ＬＥＤランプ放熱器の放熱効果を更に改善するために、ＬＥＤランプ放熱器の関連パラメータを設計してもよい。本発明にかかるＬＥＤランプ放熱器の関連パラメータは、主にフィン間隔ｄ、フィンの平均厚さｍ、フィンの平均高さＨ、フィンの長さｌ、放熱器底板の厚さＣがある。

（一）フィン間隔ｄ
自然対流するとき、自然対流の要求を満たすために一定のフィン間隔が必要となり、そうでなければ熱量の渦巻きによってフィン間の相互の放熱を影響する。強制的に対流させる場合には、フィン間隔は小さめにしてもよい。

ＡＮＳＹＳソフトによってフィン間隔ｄのＬＥＤランプ放熱器の最高温度に対する影響をシミュレートすることができる。ただし、環境パラメータの設定は以下のとおりとする。自然対流方式を採用し、対流熱伝達率は７．０１Ｗ／Ｍ２．Ｋであり、環境温度は２５℃であり、熱流束は１２５０Ｗ／Ｍ^２であり、ＬＥＤランプ放熱器はアルミニウム押出またはダイカストによって加工され、製造される。

図５はＬＥＤランプ放熱器の最高温度とフィン間隔ｄとの関係を表す模式図である。フィン間隔ｄが小さくなるにつれてフィンの数量が増加し、放熱表面積が増加するため、理論的にはＬＥＤランプ放熱器の最高温度は低下するはずである。しかしながら、図面から分かるように、フィン間隔ｄがある程度小さくなったあと、自然対流の場合、ＬＥＤランプ放熱器の最高温度の低下は次第に緩くなる。したがって、フィン間隔は小さければ小さいほどよいというわけではなく、適切な間隔を選択する必要がある。

本発明の実施例において、比較的望ましい放熱効果を得るため、フィン間隔ｄは３．３ｍｍ−４．５ｍｍを選択する。

（二）フィンの平均厚さｍ
自然対流するとき、ＬＥＤランプ放熱器の蓄熱能力及び熱流に対するバッファ機能を増大させるため、一定のフィンの厚さが必要となる。強制的に対流させる場合はフィンの厚さは小さめにしてもよい。

ＡＮＳＹＳソフトによってフィンの平均厚さｍのＬＥＤランプ放熱器の最高温度に対する影響をシミュレートすることができる。ただし、環境パラメータの設定は以下のとおりとする。自然対流方式を採用し、対流熱伝達率は７．０１Ｗ／Ｍ２．Ｋであり、環境温度は２５℃であり、熱流束は１２５０Ｗ／Ｍ^２であり、ＬＥＤランプ放熱器はアルミニウム押出またはダイカストによって加工され、製造される。

図６はＬＥＤランプ放熱器の最高温度とフィンの平均厚さｍとの関係を表す模式図である。図６から分かるように、ｍの値が比較的小さいときはＬＥＤランプ放熱器の最高温度の変化は顕著ではない。ｍが次第に大きくなり、２．５６ｍｍまで増加したとき、ＬＥＤランプ放熱器の最高温度が最低となる。ｍが更に大きくなると、フィンの厚さが増加するにつれて放熱面積が次第に小さくなり、ＬＥＤランプ放熱器の最高温度も次第に高くなる。したがって、適切なフィンの厚さｍを選択する必要がある。
本発明の実施例において、比較的望ましい放熱効果を得るため、フィンの平均厚さｍは２．０ｍｍ−２．７ｍｍを選択する。

（三）フィンの平均高さＨ
フィンの高さは大きめにしてもよいが、放熱器の体積と形状の制限を受ける。フィンの平均高さＨの増加が自然対流の熱損失に対する影響は比較的大きい。一般的には、フィンの平均高さＨは、フィンの間隔ｄの３倍から４倍を超えない。そうでなければ、フィンの配列密度が比較的大きくなってしまい、最終的には熱リフローを影響する。熱リフローを影響しない場合は、フィンの高さは一般的に高ければ高いほどよく、これにより放熱面積を増加することができる。本発明の実施例において、比較的望ましい放熱効果を得るため、フィンの平均高さＨは３ｄ−４ｄとしてもよく、具体的にはフィンの平均高さＨは６．５ｍｍ−９．０ｍｍを選択する。

（四）フィンの長さｌ
フィンの長さは一般的にはＬＥＤランプ放熱器の体積と形状によって定まる。本発明の実施例において、比較的望ましい放熱効果を得るため、フィンの長さｌは、
の関係を満たし、具体的には、ｌは４０ｍｍ−５０ｍｍを選択する。

（五）放熱器底板の厚さＣ
放熱器底板の厚さを設計する時、放熱器底板が薄くなりすぎると、熱抵抗を低減することができるが、蓄熱効果は望ましくない。そのため、放熱器を設計する時は瞬間熱負荷に抵抗するために、熱流の定常状態のバッファ機能を考慮するべきであり、放熱器底板が厚すぎると熱抵抗が比較的大きくなり、放熱器の重量とコストを増加させてしまう。したがって、放熱器底板の厚さは適切でなければならない。

ＡＮＳＹＳソフトによって放熱器底板の平均厚さＣのＬＥＤランプ放熱器の最高温度に対する影響をシミュレートすることができる。ただし、環境パラメータの設定は以下のとおりとする。自然対流方式を採用し、対流熱伝達率は７．０１Ｗ／Ｍ２．Ｋであり、環境温度は２５℃であり、熱流束は１２５０Ｗ／Ｍ^２であり、ＬＥＤランプ放熱器はアルミニウム押出またはダイカストによって加工され、製造される。

図７はＬＥＤランプ放熱器の最高温度と放熱器底板の平均厚さＣとの関係を表す模式図である。放熱器底板が比較的薄いとき最高温度の変化はそれほど大きくなく、Ｃが５ｍｍのときＬＥＤランプ放熱器の最高温度が最低になり、Ｃが次第に大きくなると、熱抵抗も次第に増大するため、ＬＥＤランプ放熱器の最高温度も次第に高くなる。したがって、放熱器底板は適切な厚さを選択する必要がある。

また、フィンが比較的長く、フィンが比較的高いときは底板の厚さは比較的厚くなければならず、本発明の実施例において、比較的望ましい放熱効果を得るため、放熱器底板の平均厚さＣはフィンの平均厚さｍの２倍−３倍としてもよい。具体的にはＣは４．５ｍｍ−５．８ｍｍを選択する。

（五）その他の値の選択
ａ．自然対流における空気の流速Ｖ_０に基づいてフィンの平均厚さｍと間隔ｄとを定めてもよく、自然対流における空気の流速が小さいほどフィンが厚く、間隔も広い。また、自然対流については、フィンの間隔は４ｍｍでなければならない。具体的には、Ｖ_０＝１ｍ／ｓのとき、ｄ＝４．２ｍｍ、ｍ＝１．６５ｍｍを選択し、Ｖ_０＝０．５ｍ／ｓのとき、ｄ＝５ｍｍ、ｍ＞１．６５ｍｍを選択してもよい。

ｂ．熱伝達効率と放熱表面積との需要に基づいてフィンの平均高さＨと平均厚さｍとを定めてもよい。フィンが高く薄いほどフィンがフィンのトップに伝熱する能力が弱まり、フィンが厚く低いほど、放熱表面積が小さくなる。

ｃ．ＬＥＤランプの放熱効率Ｑに基づいて放熱器底板の平均厚さＣを定めてもよく、放熱効率Ｑと放熱器底板の平均厚さＣとの関係はＣ＝７×ｌｇＱ−６となる。

ｄ．表１に示すように、異なる放熱器底板の平均厚さＣに基づいて異なるフィンの平均高さＨと平均厚さｍを選択してもよい。

以上の設計の原則を総合し、本発明の実施例において、放熱器底板の平均厚さＣは４．８ｍｍ−５．５ｍｍでもよく、間隔ｄは３．５ｍｍ−４ｍｍでもよく、フィンの平均厚さｍは２．５ｍｍ−２．７ｍｍでもよく、フィンの平均高さＨは７ｍｍ−８．９６ｍｍでもよく、フィンの長さｌは４０ｍｍ−４６ｍｍでもよく、フィンの数量Ｎは１６、１８、または２０でもよい。

総消費電力が６Ｗ以下のＬＥＤランプを例に、上記パラメータによって製造されたＬＥＤランプ放熱器の放熱効果を検証した。ただし、実験の環境パラメータは、自然対流方式を採用し、対流熱伝達率は７．０１Ｗ／Ｍ２．Ｋであり、環境温度は２５℃であり、ＬＥＤシングルランプの熱流束は１３１２１．８２Ｗ／Ｍ^２であり、ＬＥＤランプ放熱器の熱流束は１２５０Ｗ／Ｍ^２とする、ＬＥＤランプ放熱器がアルミニウム押出によって加工され製造されるとき、ＬＥＤランプのピンの温度は最高で５３．３７９℃であり、ＬＥＤランプ放熱器表面温度は最高で５０．６８４℃である。ＬＥＤランプ放熱器がダイカストによって加工され製造されるとき、ＬＥＤランプのピンの温度は最高で５３．７７９℃であり、ＬＥＤランプ放熱器表面温度は最高で５０．８８８℃である。

従来技術において、ＬＥＤランプの放熱器は通常底板を設置せず、放熱器本体に設置されるフィンの数量は比較的多く（３０−４５）、フィン同士の間隔も比較的小さく（１．０ｍｍ−２．０ｍｍ）、フィンも比較的低く（平均高さは一般的に２．５ｍｍ−５．０ｍｍ）、フィンも比較的短い（１５ｍｍ−３５ｍｍ）。上記のパラメータの設計は放熱器の蓄熱効果と熱流の定常状態のバッファ機能とに影響し、ＬＥＤランプの放熱効果を悪化させ、一般的な従来の総消費電力が６ＷのＬＥＤランプで実際に測定した結果、ピンの温度は７０℃前後であり、放熱器表面の温度は６０℃であった。以上のデータから、本発明のＬＥＤランプ放熱器の放熱効果は著しいことが分かる。

本発明の実施例は、ＬＥＤ照明器具であって、図１−図４に示すＬＥＤランプ放熱器と、当該ＬＥＤランプ放熱器の中にある少なくとも一つのＬＥＤシングルランプと、を有するＬＥＤ照明器具を更に提供する。

以上は本発明の好ましい実施形態であり、当業者が本発明に説明した原理を離脱しないで行う改良と装飾は本発明の保護範囲に含まれるものとする。

Claims (15)

1. ＬＥＤランプ放熱器であって、
   中空である放熱器本体と、
   前記放熱器本体の一端に設置される放熱器底板と、
   を有するＬＥＤランプ放熱器。
2. 前記放熱器本体の外壁には、複数のフィンが設けられている請求項１に記載のＬＥＤランプ放熱器。
3. 前記放熱器底板の中心部の厚さは、前記放熱器底板の周縁部の厚さより大きい請求項２に記載のＬＥＤランプ放熱器。
4. 前記フィンには、前記放熱器本体の外壁と一定の角度があり、
   前記角度は、９０°より小さく、８０°−４５°の範囲内が好ましく、８０°−６０°の範囲内が更に好ましい請求項２または請求項３に記載のＬＥＤランプ放熱器。
5. 前記フィンの放熱器本体に近い部分の厚さは、前記フィンの放熱器本体から遠い部分の厚さより大きい請求項２ないし請求項４のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
6. 前記フィンの放熱器底板に近い部分の高さは、前記フィンの放熱器底板から遠い部分の高さより大きい請求項２ないし請求項５のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
7. 前記フィンの放熱器底板には、近い部分に分岐部が設けられている請求項２ないし請求項６のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
8. 前記放熱器底板には、少なくとも一つのＬＥＤシングルランプに対応する穴が設けられている請求項２ないし請求項７のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
9. 前記フィンの平均高さＨは、フィン同士の間隔ｄの３倍−４倍である請求項２ないし請求項８のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
10. 前記フィンの平均厚さｍ、フィンの長さｌ、及びフィンの間の間隔ｄは、
    の関係を満たす請求項２ないし請求項９のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
11. 前記放熱器底板の平均厚さＣは、前記フィンの平均厚さｍの２倍−３倍である請求項２ないし請求項１０のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
12. 前記放熱器底板の平均厚さＣは、４．５ｍｍ−５．８ｍｍである請求項２ないし請求項１１のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
13. 前記フィン同士の間隔ｄは、３．３ｍｍ−４．５ｍｍであり、
    フィンの平均厚さｍは、２．０ｍｍ−２．７ｍｍであり、
    フィンの平均高さＨは、６．５ｍｍ−９．０ｍｍであり、
    フィンの長さｌは、４０ｍｍ−５０ｍｍである請求項２ないし請求項１２のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
14. 前記フィンの数Ｎは、１６、１８または２０である請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器。
15. ＬＥＤ照明器具であって、
    請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載のＬＥＤランプ放熱器と、
    前記ＬＥＤランプ放熱器の中にある少なくとも一つのＬＥＤシングルランプと、
    を有するＬＥＤ照明器具。