JP2019087561A - 冷却構造体、及び光源ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、ライン状に配置される光源を均等に冷却する。【解決手段】冷却器２１（冷却構造体に相当）を構成する冷却器２２、２３を備え、これら冷却器２２、２３には、ライン状に配置されるＬＥＤ３２の並び方向であるＸ方向に沿って内部を冷媒が流れ、冷却器２２の冷媒上流側の領域２２Ｈと冷却器２３の冷媒下流側の領域２３Ｌとが熱的に連結され、冷却器２２の冷媒下流側の領域２２Ｌと冷却器２３の冷媒上流側の領域２３Ｈとが熱的に連結されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光源を冷却する冷却構造体、及び光源ユニットに関する。

光源ユニットには、冷媒を用いて複数の発光素子を冷却する構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１では、光源基板毎に板状の冷却ユニットを設け、各冷却ユニット内に冷却水を流している。また、特許文献２では、複数の発光素子を配置したヒートシンク内に冷却媒体を流している。

特開２０１４−７２００４号公報 特開２０１１−１０３２６１号公報

しかし、従来の構成は、冷媒の上流側と下流側とで冷却能力が異なるため、複数の発光素子の温度にばらつきが生じ易い。このばらつきは、ＬＥＤの場合、発光素子自体の発光効率の低下を生じさせ、光量のばらつきの原因となる。
また、複数の発光素子がライン状に配置される光源の場合、均一に冷却するには、この光源をある長さで分割してそれぞれを同じ冷却能力の冷却ユニットで冷却する構成が考えられる。しかし、この構成は、冷却流路が複雑な構成となり、構造の複雑化を招いてしまう。
そこで、本発明は、簡易な構成で、ライン状に配置される光源を均等に冷却することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の冷却構造体は、光源が間隔を空けて配置される方向、又は光源がライン状に延びる方向に沿って内部を冷媒が流れる第１の冷却器と、内部を冷媒が流れる第２の冷却器とを備え、前記第１の冷却器の冷媒上流側の領域と前記第２の冷却器の冷媒下流側の領域とが熱的に連結され、前記第１の冷却器の冷媒下流側の領域と前記第２の冷却器の冷媒上流側の領域とが熱的に連結されていることを特徴とする。

また、本発明は、上記冷却構造体において、前記第１の冷却器の冷媒上流側と冷媒下流側との間の領域は、前記第２の冷却器の冷媒上流側と冷媒下流側との間の領域に、熱的に連結されていることを特徴とする。

また、本発明は、上記冷却構造体において、前記第２の冷却器は、前記第１の冷却器の光源が間隔を空けて配置される方向、又は光源がライン状に延びる方向に沿っており、前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とは重ねられていることを特徴とする。

また、本発明は、上記冷却構造体において、前記第１の冷却器と前記第２の冷却器を連結し、内部を冷媒が流れる連結管を有し、前記連結管を折り返して前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを重ねていることを特徴とする。

また、本発明の光源ユニットは、上記したいずれかの冷却構造体と、前記冷却構造体の第１の冷却器にライン状に間隔を空けて取り付けられる複数の光源と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成で、ライン状に配置される光源を均等に冷却することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る光源ユニットの全体を示す外観図、（Ｂ）は光源ユニットの内部構造を示す図である。 図１（Ｂ）の拡大図である。 図１（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 （Ａ）は光源ユニットを側方から見たときの温度分布を示す図、（Ｂ）は光源ユニットを受熱面から見たときの受熱面の温度分布を示す図である。 （Ａ）は比較例に係る光源ユニットを側方から見たときの温度分布を示す図、（Ｂ）は光源ユニットを受熱面から見たときの受熱面の温度分布を示す図である。 変形例に係る上下の冷却器を示す図である。 変形例に係る複数の冷却器の構成例を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）は光照射に関わる構成の変形例の説明に供する図である。 （Ａ）、及び（Ｂ）は伝熱部材を設けた構成の説明に供する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（Ａ）は本発明の実施形態に係る光源ユニットの全体を示す外観図、図１（Ｂ）は光源ユニットの内部構造を示す図である。
この光源ユニット１０は、下方に向けてライン状の紫外線を照射する光源ユニットであり、内部が中空のケース１１と、ケース１１内に配置されて冷却器２１（冷却構造体に相当）を構成する上下の冷却器２２、２３と、冷却器２１の受熱面２１Ａに配置される光照射部３１とを備えている。なお、図中、符号ＵＰは上方向を示し、Ｘ方向はライン状の紫外線が延びる方向（ケース１１の長手方向と一致）を示しており、Ｘ方向は例えば水平方向である。但し、上記方向は仕様に応じて適宜に変更されるものである。

図２は図１（Ｂ）の拡大図であり、図３は図１（Ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
ケース１１は、矩形断面でＸ方向に沿って直線状に延在する箱形状に形成され、ケース１１内の下部に、冷却器２１及び光照射部３１を収容し、ケース１１内の上部に、光照射部３１を除く電気部品４１（端子台や配線等）を収容する。ケース１１の底面には、カバーガラス５１（図２、図３）を有するカバープレート５２（図１）が装着される。カバーガラス５１は、例えば、石英ガラスで構成され、このカバーガラス５１を介して光照射部３１からの光が下方に向けて照射される。

光照射部３１は、光源となるＬＥＤ３２（発光素子に相当）をＸ方向に間隔を空けて多数配置した構成であり、複数のＬＥＤ３２と、これらＬＥＤ３２が配置される基板３３とを備えている。本構成では、ＬＥＤ３２が殆ど隙間なくＸ方向に一列で配置され、所望の光量を確保する。また、基板３３の下方には、ＬＥＤ３２の光を反射する断面視で逆Ｖ字形状の反射板３４が設けられ、この反射板３４によりＬＥＤ３２の光の照射方向をコントロール可能である。

なお、ＬＥＤ３２を一列に配置する構成に限定されず、二列等の多列でもよいし、ＬＥＤ３２の間隔も適宜に変更してもよい。要は、求める仕様に応じてＬＥＤ３２の配置は適宜に変更すればよい。また、ＬＥＤ３２に代えて、ＬＥＤ以外の発光素子を用いてもよいし、ライン状の光を照射可能な棒状光源等の他の光源を用いてもよい。また、本構成では、光源全体の長さＷ（図１（Ｂ）、図２）が１３００ｍｍの場合を示しているが、この長さＷについても適宜に変更されるものである。

冷却器２１を構成する上下の冷却器２２、２３は、アルミニウム合金、又は銅合金等の熱伝導性の高い材料で形成された管部材であり、内部を冷媒が流れる冷媒管で構成されている。これら冷却器２２、２３は、矩形断面でＸ方向に沿って直線状に延出する角管形状であり、光源全体の長さＷと同一、又は長さＷよりも長い管に形成されている。
また、上下の冷却器２２、２３は同じ長さであり、各冷却器２２、２３内の冷媒流路は同じ内径（流路径に相当）の１７．５ｍｍであり、これら冷媒流路の離間距離（流路間距離に相当）は７．５ｍｍである。本構成では上下の冷却器２２、２３に同一部品を使用しているが、同一部品でなくてもよい。

上下の冷却器２２、２３の長手方向一端側（＋Ｘ側に相当）は、それぞれ管継手２２Ｒ、２３Ｒを介して連結管２５で連結され、この連結管２５を介して冷却器２２、２３内に連通する。また、下側の冷却器２２（第１の冷却器に相当）の長手方向他端側（−Ｘ側に相当）には、管継手２２Ｆを介して、外部から配管接続可能な配管接続部２６が設けられる。この配管接続部２６には、冷媒を供給する不図示の冷媒供給管が接続され、この冷媒供給管からの冷媒が各冷却器２２、２３に供給される。

また、上側の冷却器２３（第２の冷却器に相当）の長手方向他端側（−Ｘ側）には、管継手２３Ｆを介して、外部から配管接続可能な配管接続部２７が設けられる。この配管接続部２７には、冷媒を排出する不図示の冷媒排出管が接続され、各冷却器２２、２３を通過した冷媒が冷媒排出管を通って外部に排出される。
以上の構成により、下側の冷却器２２、連結管２５、及び上側の冷却器２３の順でつながる１本の冷媒配管２８が構成され、外部から供給される冷媒によって、下側の冷却器２２、及び上側の冷却器２３が順に冷却される。

本構成では、図１（Ｂ）、及び図２に示すように、一本の冷媒配管２８が連結管２５の箇所で折り返されて、上下の冷却器２２、２３が上下に重ねられている。このため、下側の冷却器２２の下面は、上下の冷却器２２、２３が重なる面に対向する。この冷却器２２の下面に、基板３３が配置される受熱面２１Ａ（光源が配置される光源配置面に相当）が設けられている。
なお、冷媒は、水等の液冷媒、又は気体の冷媒を広く適用可能である。また、配管接続部２６、２７をチラーユニットに配管接続し、チラーユニットによって冷却された冷媒を、上下の冷却器２２，２３に循環させる構成であってもよい。

上述したように、上下の冷却器２２、２３が重なるので、図３に示すように、上側の冷却器２３の下面２３Ｂと下側の冷却器２２の上面２２Ｕとが広い面積で接触し、互いの間で効率良く熱移動させることができる。
また、上下一対の冷却器２２、２３は、両端を揃えて上下に重ねて配置されている。このため、図１（Ａ）に示すように、下側の冷却器２２の冷媒上流側の領域２２Ｈと、上側の冷却器２３の冷媒下流側の領域２３Ｌとが広い面積で熱的に連結されると共に、下側の冷却器２２の冷媒下流側の領域２２Ｌと、上側の冷却器２３の冷媒上流側の領域２３Ｈとが広い面積で熱的に連結される。

また、下側の冷却器２２の冷媒上流側と冷媒下流側との間の中間領域２２Ｍと、上側の冷却器２３の冷媒上流側と冷媒下流側との間の中間領域２３Ｍとについても、互いに広い面積で熱的に連結される。ここで、熱的に連結されるとは、熱移動自在に直接接触している状態に限定されず、熱移動自在な状態を広く含む。

このように、上下の冷却器２２、２３が、ＬＥＤ３２が間隔を空けて配置される方向に延び、且つ、これら上下の冷却器２２、２３が重なって熱的に連結されているので、下側の冷却器２２に設けられて上記方向に延びる受熱面２１Ａを、効率良く冷却することができる。
しかも、上下の冷却器２２、２３の冷媒上流側の領域２２Ｈと冷媒下流側の領域２３Ｌとが熱的に連結され、冷媒下流側の領域２２Ｌと冷媒上流側の領域２３Ｈとが熱的に連結され、更に、中間領域２２Ｍ、２３Ｍとが熱的に連結されているので、受熱面２１Ａの冷却量を均等に揃え易くなる。これにより、発熱源（冷却対象物に相当）である多数のＬＥＤ３２を、効率良く均等に冷却することができる。

次いで、光源ユニット１０と、比較例に係る光源ユニット１００のＬＥＤ３２発熱時のシミュレーション結果を説明する。
図４（Ａ）は光源ユニット１０を側方から見たときの温度分布を示す図、図４（Ｂ）は光源ユニット１０を受熱面２１Ａから見たときの受熱面２１Ａの温度分布を示す図である。
また、図５（Ａ）は比較例に係る光源ユニット１００を側方から見たときの温度分布を示す図、図５（Ｂ）は光源ユニット１００を受熱面２１Ａから見たときの受熱面２１Ａの温度分布を示す図である。
比較例に係る光源ユニット１００は、上下の冷却器２２、２３を離間させている点を除いて光源ユニット１０と略同じである。また、図４（Ａ）〜図５（Ｄ）において、温度が最も高い箇所を第１温度Ｈ１と表記し、温度が低くなるに従って、第２温度Ｈ２、第３温度Ｈ３、第４温度Ｈ４、第５温度Ｈ５、及び第６温度Ｈ６の順で示している。
なお、光源全体の長さＷは１３００ｍｍ、流路径は１７．５ｍｍであり、流路間距離は７．５ｍｍである。

図４（Ａ）に示すように、光源ユニット１０においては、下側の冷却器２２内の下部、つまり、ＬＥＤ３２を配置した基板３３が接する受熱面２１Ａ近傍が第４温度Ｈ４であり、下部を除く冷却器２２内、及び冷却器２３内の殆どが第４温度Ｈ４よりもやや低い第５温度Ｈ５であった。なお、冷媒の入口に対応する箇所は最も低い第６温度Ｈ６であった。
つまり、ＬＥＤ３２の並び方向（光源が延びる方向とも言う）であるＸ方向において、温度勾配はほぼ一定に保たれ、かつ、冷却器２２、２３内はほぼ低い温度範囲（殆ど第５温度Ｈ４）に保たれた。

また、図４（Ｂ）に示すように、受熱面２１Ａは、ＬＥＤ３２に対応する領域が高温になるものの、その周辺は、冷却器２２、２３内の両端に対応する箇所を除いて、第３温度Ｈ３又は第４温度Ｈ４であった。つまり、受熱面２１Ａにおいても、Ｘ方向において、温度勾配はほぼ一定に保たれ、発熱源であるＬＥＤ３２以外の領域は低い温度（殆ど第５温度Ｈ４）に保たれた。

これに対し、図５（Ａ）、及び図５（Ｂ）に示すように、比較例に係る光源ユニット１００では、Ｘ方向に温度勾配が生じると共に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）と比べて全体的に温度が高くなった。特に、受熱面２１Ａにおいては、殆どの領域が高い温度範囲（第１温度Ｈ１、第２温度Ｈ２）となった。このため、光源ユニット１００では、光源ユニット１０と比べて冷却性能が全体的に低く、かつ、ＬＥＤ３２を含む基板３３の温度のばらつきが生じることが明らかである。

このように、本実施形態の光源ユニット１０は、上下の冷却器２２、２３を離間させた光源ユニット１００と比べて、ＬＥＤ３２を含む基板３３を、ＬＥＤ３２の並び方向に沿って均等に冷却できており、且つ、冷却能力が全体的に向上していることが明らかである。
これにより、ライン状の光源を構成する複数のＬＥＤ３２の温度のばらつき、及び温度上昇が抑えられ、この温度上昇に起因する電圧変動が招く光量のばらつき、及び光量の変動を抑えることができる。また、上下の冷却器２２、２３を重ねた構成であるので、ＬＥＤ３２がライン状に配列される基板３３をある長さで分割化、或いはグループ化して同じ冷却能力の冷却ユニットで冷却する構成と比べて、構成が簡易で済む。したがって、簡易な構成で、ライン状の光源を構成する各ＬＥＤ３２を均等に冷却することができる。

換言すると、本構成は、冷却器２２、２３を連結する連結管２５を折り返して上下で重ねた構成にすることで、ライン状に配置される各ＬＥＤ３２を均等に冷却することができる。このため、構成の複雑化を抑えると共に、部品点数を低減し、コスト低減、及び小型化を図り易くなる。また、冷媒の流量を調整することによって、冷却のばらつきを抑えた状態で冷却能力を増減させることができ、所望の冷却能力に容易に調整可能である。

以上説明したように、本構成では、上下の冷却器２２、２３が熱的に連結されており、より具体的には、上下の冷却器２２、２３の冷媒上流側の領域２２Ｈと冷媒下流側の領域２３Ｌとが熱的に連結され、且つ、冷媒下流側の領域２２Ｌと冷媒上流側の領域２３Ｈとが熱的に連結されている。これにより、簡易な構成で、ライン状に配置される各ＬＥＤ３２を均等、かつ十分に冷却することができる。
このため、光源全体の長さＷが大きい場合に有利な冷却器２１（冷却構造体）を提供することができ、例えば、長さＷが１０００ｍｍ以上の光源の冷却に好適である。

しかも、上下の冷却器２２、２３の中間領域２２Ｍ、２３Ｍについても熱的に連結されるので、各ＬＥＤ３２をより均等に冷却できる。なお、冷却能力を十分に確保でき、かつ、冷却のばらつきを十分に低減できる範囲で、中間領域２２Ｍ、２３Ｍを熱的に連結しない構成（例えば、中間領域２２Ｍ、２３Ｍが離間し、密着していない構成）にする等の変更を行ってもよい。

さらに、本実施形態では、上下の冷却器２２、２３を重ねることによって、各冷却器２２、２３それぞれの冷媒上流側の領域２２Ｈ、２３Ｈを他方の冷却器２２、２３の冷媒下流側の領域２３Ｌ、２２Ｌに面接触させている。このため、冷却器２２、２３を熱的に連結するために冷却器２２、２３同士を接触させるための伝熱部材を別途設ける必要がない。これによっても、光源ユニット１０及び冷却器２１を簡易な構成にできる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示するものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。
例えば、上述した実施形態では、図６に一例を示すように、上下の冷却器２２、２３のそれぞれに、外部から独立して冷媒を供給する冷媒供給管２９を接続してもよい。なお、図６中、符号３０は、冷媒を排出する冷媒排出管である。

この場合、図６に冷媒の流れを矢印で示すように、上下の冷却器２２、２３で、冷媒の流れる方向が逆方向になるように冷媒を供給することで、上述した実施形態と同様の流れとなる。これにより、上述した実施形態と同様の効果が得られる。

また、複数の冷却器２２、２３を上下に重ねる構成に限定されず、ライン状に配置される各ＬＥＤ３２を均等に冷却できる範囲で、左右（水平方向）に重ねる構成でもよい。また、重ねる冷却器２２、２３の本数は３本以上でもよい。
図７は４本の冷却器２２Ｘ、２２Ｙ、２３Ｘ、２３Ｙを重ねた場合の構成例を示している。図７では、下側の冷却器２２Ｘ、２２Ｙが左右に重ねられ、これら冷却器２２Ｘ、２２Ｙの上に上側の冷却器２３Ｘ、２３Ｙが重ねられ、これら冷却器２３Ｘ、２３Ｙは左右にも重ねられている。また、図７では、下側の冷却器２２Ｘ、２２Ｙの下面に光照射部３１を配置する構成例を示しているが、右側の冷却器２２Ｙ、２３Ｙの側面、左側の冷却器２２Ｘ、２３Ｘの側面、又は、上側の冷却器２３Ｘ、２３Ｙの上面に光照射部３１を配置しても、光照射部３１を均等かつ効率良く冷却可能である。

上述した実施形態において、反射板３４等の光照射に関する構成は適宜に変更してもよい。例えば、図８（Ａ）は、反射板３４に代えて、ＬＥＤ３２を覆うカバー又はレンズとなる覆い部材３４Ａを配置した構成例を示し、図８（Ｂ）は、側面視で楕円形状の反射板３４Ｂを配置した構成例を示し、図８（Ｃ）は、反射板３４を配置しない構成例を示している。

また、複数の冷却器２２、２３を重ねて直接接触させる構成に限定されない。例えば、２本の冷却器２２、２３を離間して配置し、各冷却器２２、２３それぞれの冷媒上流側の領域と冷媒下流側の領域との間で熱伝導するように、これら冷却器２２、２３を接触させるための熱伝導性を有する伝熱部材７１を設けてもよい。

図９（Ａ）、及び図９（Ｂ）は伝熱部材７１の一例を示している。なお、図９（Ａ）、及び図９（Ｂ）中、伝熱部材７１は斜線を付した部材である。
図９（Ａ）に示す伝熱部材７１は、各冷却器２２、２３の全体に渡って配置されることにより、上述の実施形態と同様の熱伝導を実現する部材である。また、図９（Ｂ）に示す伝熱部材７１は、各冷却器２２、２３の冷媒上流側の領域と冷媒下流側の領域との間を独立して接触させるための部材７１Ａ、７１Ｂ、及び、中間領域２２Ｍ、２３Ｍの間を独立して接触させるための部材７１Ｃとで構成され、これら部材７１Ａ〜７１Ｃにより、上述の実施形態と同様の熱伝導を実現する。なお、伝熱部材７１は、例えば、アルミニウム合金、又は銅合金等の高い熱伝導性を有する部材で形成することが好ましい。
また、冷却能力を十分確保でき、且つ、均等に冷却できる場合等は、伝熱部材７１のうち、中間領域２２Ｍ、２３Ｍを連結する部材７１Ｃを省略してもよい。

また、ライン状に配置された光源を冷却する冷却器２１（冷却構造体）、及び光源ユニット１０に本発明を適用する場合を説明したが、他の光源を冷却する他の冷却器（冷却構造体に相当）、及び他の光源ユニットに本発明を適用してもよい。

１０、１００ 光源ユニット
１１ ケース
２１ 冷却器（冷却構造体）
２１Ａ 受熱面（光源配置面）
２２ 下側の冷却器（第１の冷却器）
２２Ｒ、２２Ｆ、２３Ｒ、２３Ｆ 管継手
２２Ｈ、２３Ｈ 冷媒上流側の領域
２２Ｌ、２３Ｌ 冷媒下流側の領域
２２Ｍ、２３Ｍ 中間領域
２３ 上側の冷却器（第２の冷却器）
２５ 連結管
２６、２７ 配管接続部
２８ 冷媒配管
３１ 光照射部
３２ ＬＥＤ（発光素子）
３３ 基板
３４ 反射板
５１ カバーガラス
７１ 伝熱部材

Claims (5)

1. 光源が間隔を空けて配置される方向、又は光源がライン状に延びる方向に沿って内部を冷媒が流れる第１の冷却器と、
   内部を冷媒が流れる第２の冷却器とを備え、
   前記第１の冷却器の冷媒上流側の領域と前記第２の冷却器の冷媒下流側の領域とが熱的に連結され、前記第１の冷却器の冷媒下流側の領域と前記第２の冷却器の冷媒上流側の領域とが熱的に連結されていることを特徴とする冷却構造体。
2. 前記第１の冷却器の冷媒上流側と冷媒下流側との間の領域は、前記第２の冷却器の冷媒上流側と冷媒下流側との間の領域に、熱的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却構造体。
3. 前記第２の冷却器は、前記第１の冷却器の光源が間隔を空けて配置される方向、又は光源がライン状に延びる方向に沿っており、
   前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とは重ねられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却構造体。
4. 前記第１の冷却器と前記第２の冷却器を連結し、内部を冷媒が流れる連結管を有し、
   前記連結管を折り返して前記第１の冷却器と前記第２の冷却器とを重ねていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却構造体。
5. 請求項1乃至４のいずれかに記載の冷却構造体と、前記冷却構造体の第１の冷却器にライン状に間隔を空けて取り付けられる複数の光源と、を備えたことを特徴とする光源ユニット。

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