JP2017139448A - ヒートパイプ原理に基づく高出力ｌｅｄ光源 - Google Patents

ヒートパイプ原理に基づく高出力ｌｅｄ光源 Download PDF

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Abstract

【課題】ヒートパイプ原理に基づき、ＬＥＤチップを直接的に冷却してＬＥＤチップの使用寿命を延ばし、且つ発光効率を向上させる高出力ＬＥＤ光源を提供する。【解決手段】高出力ＬＥＤ光源の発光部は毛細管引力の原理により液体状態の絶縁作動媒体を吸入し、液体状態の絶縁作動媒体をＬＥＤチップの周辺に充満させ、ＬＥＤチップを直接的に冷却する。絶縁作動媒体は、吸熱して気化した後、毛細管通路を介して溜まり部へ流れ込む。放熱部は気化した絶縁作動媒体の温度を下げ、絶縁作動媒体を冷却し液化する。作業過程においてＬＥＤチップに熱が生じたときに、熱を吸収して気化した絶縁作動媒体は、放熱部を通ることにより放熱して温度低下した後、液化する。このようなサイクルにより、絶縁作動媒体はＬＥＤチップに生じた熱をタイムリーに導出し、ＬＥＤチップの温度を絶縁作動媒体の気化温度の範囲内に保持する。【選択図】図１

Description

本発明はＬＥＤ照明分野に関し、特にヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源に関する。
ＬＥＤ業界の目まぐるしい発展に伴い、その研究もますます深まっている。ＬＥＤの光減衰又は寿命はその接合温度に直接に関連するものであるため、ＬＥＤの放熱はより一層重視される傾向にある。放熱が良くないと接合温度が高くなったり、発光効率が低くなったり、寿命が短くなったりしてしまうからである。アレニウス法則により、ＬＥＤの寿命は、温度が１０℃低下する毎に２倍に延びる。現在、殆どのＬＥＤ照明具はアルミベース回路板を採用している。金属基板の裏面には温度冷却部分が設けられ、ＬＥＤチップが間接的に冷却される。アルミベース板における回路の銅箔は、導電と熱伝導のために、十分な厚みと幅を有しなければならず、その厚みは３５μｍ〜２８０μｍの範囲にある。また、熱を伝導するために、その幅はできるだけ基板全体を覆うものであることが好ましい。また、下層にある絶縁体は、その絶縁性が良く、且つ熱伝導性も良いものであることが求められる。
しかしながら、この二つの機能は矛盾している。普通、導体は熱伝導性が良く、絶縁体の熱伝導性は悪い。良い熱伝導性と良い絶縁性を両立させるのは困難である。
本発明は、上記技術課題を解決するために、ＬＥＤチップを直接的に冷却する、ヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源を提供することを目的とする。
本発明の上記目的は、下記の技術案により実現される。
ヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源であって、発光部と、液体状態の絶縁作動媒体を貯蔵する溜まり部と、放熱部とを備え、ＬＥＤチップを直接的に冷却し、前記発光部内に第１のチャンバー及び前記第１のチャンバー内に位置するＬＥＤチップが設置されており、前記第１のチャンバーの内部の間隙が０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍであり、前記発光部は毛細管引力の原理により液体状態の絶縁作動媒体を吸入しかつ前記絶縁作動媒体に吸熱させることにより前記絶縁作動媒体を気体に相変化させ、前記溜まり部には液体状態の前記絶縁作動媒体を貯蔵する第２のチャンバーが設置されており、前記放熱部は気化した絶縁作動媒体の温度を下げ、気化した絶縁作動媒体を液体に相変化させる。
好ましくは、前記第１のチャンバーは、二枚の透明材料が突き合わせた上で、周縁部が密封されることによって形成されるものである。
好ましくは、前記第１のチャンバーは金属ベース回路板と透明材料とが突き合わされた上で、周縁部が密封されることによって形成されるものである。
好ましくは、前記透明材料は透明ガラス、透明セラミック、透明蛍光セラミック、蛍光ガラス、蛍光フィルムガラス、ドットマトリックス蛍光フィルムガラスのいずれか１種であり、又はほかの透明材料である。
好ましくは、前記第１のチャンバー内に電気回路が設置され、前記電気回路及び前記ＬＥＤチップは前記第１のチャンバー内にあり、前記ＬＥＤチップは前記電気回路に固定され且つ前記電気回路と電気的に接続されている。
好ましくは、前記発光部と前記溜まり部との間には毛細管構造の接続部が設置されており、前記接続部は前記発光部と前記溜まり部とにそれぞれ連通されている。
好ましくは、溜まり部と放熱部とは、一体的な金属製の密封構造である。
従来技術と比べ、本発明のメリットは下記の通りである。当該高出力ＬＥＤ光源はヒートパイプの毛細管原理によりＬＥＤチップを直接的に冷却する。また、発光部の第１のチャンバーの内部の間隙は０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍであり、毛細管構造が形成される。第１のチャンバー内及び接続部には、ヒートパイプ原理によって毛細管通路が形成される。第１のチャンバーは毛細管引力の原理により液体状態の絶縁作動媒体を吸入し、液体状態の絶縁作動媒体をＬＥＤチップの周辺に充満させ、ＬＥＤチップを直接的に冷却する。作業過程においてＬＥＤチップに熱が生じた際、液体状態の絶縁作動媒体は吸熱して直接的に気体に相変化し、接続部の毛細管通路を介して冷却部及び溜まり部に流れ込む。気体への相変化の過程で、熱が吸収される。熱を吸収した後の絶縁作動媒体は接続部を介して溜まり部に流通する。そして、絶縁作動媒体は放熱部を介して熱を放出し温度低下した後、液化する。このようなサイクルにより、気液相変化によりＬＥＤチップの生じた熱は絶縁作動媒体によりタイムリーに導出され、ＬＥＤチップの温度は、絶縁作動媒体の気化温度の範囲内に保持される。これにより、ＬＥＤチップの使用寿命が延び、且つ発光効率が向上する。
本発明の具体的な実施の形態又は従来技術の技術案を明瞭に説明するために、具体的な実施の形態又は従来技術の説明には必要となる図面について簡単に説明する。下記の図面は本発明の幾つかの実施の形態に過ぎず、これらの図面に基づいて当業者が困難なく他の図面が得られることは明らかである。
本発明の実施の形態に係るヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源の構造概略図である。 本発明の実施の形態に係るヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源の側面構造概略図である。 本発明の実施の形態に係るヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源に放熱装置が実装された構造概略図である。
以下、図面を参照しながら本発明の各実施の形態の技術案を詳しく且つ完全に説明する。本発明に記載の実施の形態は単に本発明の一部の実施の形態に過ぎず、全ての実施の形態ではないことは明らかである。本発明の実施の形態に基づき、当業者が容易に想到できる全ての他の実施の形態はいずれも本発明の権利範囲に属する。
ヒートパイプの原理：ヒートパイプを加熱する蒸発領域において、チューブコア内の作動液体(作動媒体)が熱を受けて蒸発し、且つ熱を吸収する。当該熱は作動液体の蒸発潜熱(気化熱)である。蒸気は中心毛細管通路からヒートパイプの凝縮領域へ流れ、液体に凝縮するとともに潜熱を放出し、毛細管力(表面張力)の作用で液体が蒸発領域に回流する。このように、一つの閉じたサイクルを完成することにより、大量の熱を加熱領域から素早く放熱領域に伝導する。ヒートパイプの原理は、「吸熱により液体から気体へ変化し、気圧作用で気体が移動し、更に放熱して気体が液体へと変化する」と簡単にまとめられる。
下記の説明及び本分野の技術実践によれば、高出力ＬＥＤ光源とは、普通、一枚のＬＥＤチップの出力が０．５Ｗよりも高いＬＥＤ光源を指す。但し、本発明は、上記の限定に限らず、毛細管原理によって絶縁作動媒体を吸い上げＬＥＤチップを直接的に冷却するという本発明の基本的な原理から逸脱しない場合であれば、本発明の技術案を他のいかなる出力のＬＥＤ光源にも適用することができる。
実施の形態．
図１、図２及び図３に示す通り、ヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源は、発光部１０２と、接続部１０３と、液体状態の絶縁作動媒体１０７を貯蔵する溜まり部１０５と、放熱部１０６とを備え、ＬＥＤチップを直接的に冷却する。発光部１０２及び接続部１０３は、溜まり部１０５と内部で互いに連通する。発光部１０２内には第１のチャンバー及び第１のチャンバー内に位置するＬＥＤチップ１０１が設置されている。第１のチャンバーの内部の間隙は０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍである。即ち、図２における発光部１０２の内部空間は、左右方向における寸法が０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍである。発光部１０２は毛細管引力の原理に基づき溜まり部１０５から液体の絶縁作動媒体１０７を吸い上げ、且つ絶縁作動媒体を吸熱して気体に相変化させる。溜まり部１０５には液体の絶縁作動媒体１０７を貯蔵する第２のチャンバーが設置されている。放熱部１０６は気化後の絶縁作動媒体の温度を低下させ、気化後の絶縁作動媒体を液体に相変化させる。
当該高出力ＬＥＤ光源はヒートパイプの毛細管原理を利用してＬＥＤチップを直接的に冷却する。発光部１０２の第１のチャンバーの内部の間隙は、毛細管構造を形成するように、０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍとなる。ヒートパイプ原理に基づいて、第１のチャンバー内及び接続部１０３内には毛細管通路が形成される。第１のチャンバーは毛細管引力により溜まり部における液体状態の絶縁作動媒体を吸入し、液体状態の絶縁作動媒体をＬＥＤチップの周辺に充満させることで、ＬＥＤチップを直接的に冷却する。作業過程においてＬＥＤチップに熱が生じた時に、液体状態の絶縁作動媒体は吸熱し、気体に相変化し、気体への相変化の過程において熱を吸収する。絶縁作動媒体は接続部１０３の毛細管通路を介して、放熱部１０６に接続する溜まり部１０５に流れ込み、放熱部１０６を介して放熱された絶縁作動媒体は温度が低下して液化する。このようなサイクルを介して、気液相変化によりＬＥＤチップの生じた熱は絶縁作動媒体によりタイムリーに導出され、ＬＥＤチップの温度は絶縁作動媒体の気化温度の範囲内に保持される。これにより、ＬＥＤチップの使用寿命が延長されると共に、発光効率も向上する。
上記記載の発光部１０２には特定の寸法を有する第１のチャンバーにより毛細管構造が形成され、毛細管原理が実現されるにもかかわらず、本発明はこのような具体的な毛細管構造に限定されるものではないことは当業者にとって明らかである。毛細管原理を利用して絶縁作動媒体を吸い上げＬＥＤチップを直接的に冷却するという本発明の基本的な原理から逸脱しない場合であれば、本発明の技術案に対する他の均等的な変更は、本発明の範囲に含まれるものとする。具体的に言えば、毛細管構造の形成を前提として、前記第１のチャンバーの内部の間隙は、０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍの範囲外の他の任意の適当な寸法を採用されてもよい。一方、本発明は、内部チャンバーに毛細管構造が形成されることに限らず、液体状態の絶縁作動媒体を溜まり部１０５からＬＥＤチップの周りに吸い上げることができれば、発光部に、ＬＥＤチップ埋め込み式の中実構造を採用してもよい。例えば、発光部１０２においてＬＥＤチップを覆う周辺材料が微孔材料、例えば重イオンエッチングにより形成された微孔材料であってもよい。また、ＬＥＤチップを第１のチャンバー内に設置する前提で、毛細管引力を最大限に向上させるために、第１のチャンバーはマイクロビーズで充填されてもよい。
好ましくは、図２に示す通り、第１のチャンバーは、二枚の透明材料が突き合わせられた後、周縁部を密封することで、形成される。なお、周縁部の密封には、シート接着剤及びガラス・セメントによる接着が施されてもよい。また、他のシール工程及び材料若しくは機械的なシール構造によって密封されていてもよく、第１のチャンバーの周縁部はガス漏れや液体漏れを確実に防止することができればよい。溜まり部１０５と放熱部１０６とは一体的な金属製の密封構造であってもよい。
なお、二枚の透明材料により形成される他、第１のチャンバーは、金属ベース回路板と透明材料とが突き合わされた後、周縁部が密封されることで形成されてもよい。具体的に言えば、従来の通常のＬＥＤ光源の構造に対し、この実施の形態の技術案は、従来のＬＥＤ光源構造を基に、金属ベース回路板、例えばアルミベース回路板と透明材料とが突き合わされて毛細管構造が形成されてもよい。
透明材料は、透明ガラス、透明セラミック、透明蛍光セラミック、蛍光ガラス、蛍光フィルムガラス、ドットマトリックス蛍光フィルムガラス、蛍光粉末を混ぜた高分子蛍光フィルムのいずれか１種、又は他の透明材料である。そのうち、蛍光フィルムガラス及びドットマトリックス蛍光フィルムガラスは、中国特許番号ＺＬ２０１２１０２２８４１９．３の製造方法により製造されてもよい。
好ましくは、第１のチャンバー内には更に電気回路１０８が設置されており、ＬＥＤチップが電気回路１０８に固定され且つ電気回路１０８と電気的に接続されている。具体的に言えば、電気回路１０８は、第１のチャンバーの内壁にプリントされ、又は直接的に第１のチャンバー内で解離配置されており、電気回路１０８は、第１のチャンバー内、接続部１０３又は第２のチャンバーから引き出され、外部の給電装置に接続される。これによって、ＬＥＤチップ及び電気回路１０８は第１のチャンバー内に設けられる。絶縁作動媒体は毛細管引力の作用で第１のチャンバー内に入りＬＥＤチップの周りに充填し、ＬＥＤチップを直接的に冷却することができる。
好ましくは、発光部１０２と溜まり部１０５との間には毛細管構造の接続部１０３が設置されており、接続部１０３は発光部１０２と溜まり部１０５とにそれぞれ連通する。溜まり部１０５の絶縁作動媒体は接続部１０３を介して発光部１０２に入り、加熱され気体に相変化し、更に接続部１０３を介して溜まり部１０５に回流する。
好ましくは、絶縁作動媒体はジメチルシリコーンオイルである。作動媒体を選択する際には、導電性なし、低沸点、光透過性、流動性、熱伝導係数、ガラスとの親和反応が一切ない等の要素を考慮する必要がある。低粘度シリコーンオイル、特にジメチルシリコーンオイルは、本願の絶縁作動媒体に適するものである。言うまでもなく、作動媒体としてエタノール、エーテルなどの作動媒体を選択してもよい。
なお、絶縁作動媒体の充填量は熱伝導性に対して大きく影響する。充填された絶縁作動媒体が多すぎると、過剰な量の絶縁作動媒体が溜まり部の端部に蓄積し、溜まり部の熱抵抗が大きくなり、ＬＥＤ光源の温度が上昇する。充填された絶縁作動媒体が少なすぎると、絶縁作動媒体は発光部内の空隙を完全に充満させることができなくなり、発光部の局部的な乾燥を招き、熱伝導力が低下してしまう。ジメチルシリコーンオイルを作動媒体とする場合、ジメチルシリコーンオイルの沸点は約１００℃であるので、当該高出力ＬＥＤ光源のＬＥＤチップの温度を長期間にわたって１００℃以下に保持できる。
放熱効果を更に向上させ、発光部１０２のオーバーヒートを防止するため、図３に示された通り、当該高出力ＬＥＤ光源には溜まり部１０５に接続された放熱装置１０６が設置されてもよい。例えば、当該放熱装置１０６はアルミベース放熱板であってもよい。
絶縁作動媒体が毛細管原理により発光部１０２に吸入されて発光部１０２と溜まり部１０５との間を流れ、吸熱放熱循環のヒートパイプ形式が形成されて、ＬＥＤチップが直接的に冷却される構成であれば、この実施の形態の高出力ＬＥＤ光源は、いずれも本発明の権利範囲に属する。
以上は単に本発明の優れた実施の形態に過ぎず、本発明に対するいかなる形式上の制限もないと考えるべきである。当業者は、本発明の技術案の範囲を逸脱することなく、上記記載の技術内容を、均等的に変更、改良することができる。本発明技術案の内容から逸脱しなければ、本発明の技術実質に基づいて上記実施の形態に対するいかなる単純な修正、均等的な変更や改良はいずれも本発明の技術的な範囲内に含まれる。

Claims (10)

  1. ヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源であって、
    内部にＬＥＤチップが設置された発光部と、前記ＬＥＤチップを直接的に冷却するための液体状態の絶縁作動媒体を貯蔵する溜まり部とを含み、
    前記発光部は毛細管構造を有し、毛細管引力の原理により液体状態の前記絶縁作動媒体を吸入し、且つ前記絶縁作動媒体に吸熱させることにより前記絶縁作動媒体を気体に相変化させ、
    前記溜まり部には前記毛細管構造と連通する第２のチャンバーが設けられ、液体状態の前記絶縁作動媒体は前記第２のチャンバー内に貯蔵されていることを特徴とするヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  2. 前記発光部内には前記毛細管構造を形成する第１のチャンバーが設けられており、前記ＬＥＤチップが前記第１のチャンバー内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  3. 前記第１のチャンバーの内部の間隙が０．０１ｍｍ〜２．００ｍｍであることを特徴とする請求項２に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  4. 前記高出力ＬＥＤ光源は気化した絶縁作動媒体の温度を下げ、気化した絶縁作動媒体を液体に相変化させる放熱部を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  5. 前記第１のチャンバーは、二枚の透明材料が突き合わせられた上で、周縁部が密封されることによって形成されることを特徴とする請求項３に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  6. 第１のチャンバーは、金属ベース回路板と透明材料とが突き合わせられた上で、周縁部が密封されることによって形成されることを特徴とする請求項３に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  7. 前記透明材料は、透明ガラス、透明セラミック、透明蛍光セラミック、蛍光ガラス、蛍光フィルムガラス、ドットマトリックス蛍光フィルムガラスのいずれか１種であり、又はほかの透明材料であることを特徴とする請求項５又は６に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  8. 前記第１のチャンバー内には更に電気回路が設置され、前記電気回路及び前記ＬＥＤチップは前記第１のチャンバー内にあり、前記ＬＥＤチップは前記電気回路に固定され且つ前記電気回路と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  9. 前記発光部と前記溜まり部との間には毛細管構造の接続部が設置され、前記接続部は前記発光部と前記溜まり部とにそれぞれ連通されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
  10. 前記溜まり部と放熱部とは、一体的な金属製の密封構造、または別体式の構造であることを特徴とする請求項４に記載のヒートパイプ原理に基づく高出力ＬＥＤ光源。
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