JP4147588B2

JP4147588B2 - Ｌｅｄ冷却モジュール

Info

Publication number: JP4147588B2
Application number: JP2004088787A
Authority: JP
Inventors: 敬小林; 渉神田; 努長谷川
Original assignee: Toshiba Home Technology Corp
Current assignee: Toshiba Home Technology Corp
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: JP2005276646A

Description

本発明は、例えば車載用ナビゲーションで用いられる表示パネルのバックライト用ＬＥＤを効率よく冷却するために、薄型の筐体内などにコンパクトに装着されるＬＥＤ冷却モジュールに関する。

従来、自動車のような明るいところや暗いところがある環境下で使用する車載用カーナビゲーションなどの表示パネル搭載機器は、液晶表示パネルのバックライト光源として冷陰極蛍光管や熱陰極蛍光管が使用されている（特許文献１参照）。この特許文献１では、明るい昼間には輝度を高くしてドライバに見えるようにし、夜間には周囲が暗いので表示装置の輝度を低くして眩しくないようにするために、バックライトの明るさを調整手段で段階的に調整できるようにしたものが開示されている。

しかし、バックライトとして冷陰極蛍光管や熱陰極蛍光管などの蛍光ランプを使用した場合には、明るさを調整するのに複雑な調整回路が必要であり、例えば昼用と夜用の２段階程度にしか明るさの切り替えを行なうことができない。そのために、薄暮のときには、バックライトが暗くなって表示が見え難かったり、逆に眩しかったりすることがあった。また、蛍光ランプによるバックライト照明では、表示パネルの鮮明度に限界がある上に、最近の市場要求として従来よりも高画質の映像表示が求められていて、十分な輝度が得られないという不満があった。

さらに別な問題として、車載用カーナビゲーションは、車内のスペースを有効に利用するために、通常コンソールボックスに収納され、使用時には表示パネルを引き出して立てるというような構造になっている。したがって、機器全体が１DINまたは2DINと呼ばれる大きさで規定されており、例えば１DINの大きさでは、機器としての厚みが５０ｍｍ、幅が１８０ｍｍ、奥行きが１６０ｍｍに決められてしまう。以上のような外形上の制約からバックライトの大きさも自ずと制限され、従来の蛍光ランプでは占有体積も大きくコンパクトな構造を実現し難かった。

こうした問題に対して、蛍光ランプに代わって発光効率が高い光源であるＬＥＤ(発光ダイオード)を使用したバックライト照明が考えられる。すなわち、表示パネルのバックライトとしてＬＥＤを使用すれば、蛍光ランプよりも明るく画像の鮮明度が良くなると共に、バックライトを小型にすることができ、車載用カーナビゲーションのような外形上の制約を受ける機器であっても、少ない占有体積でコンパクトな構造を実現できる。
特開平９−７０９７号公報

上述したＬＥＤを利用したバックライト照明では、コンパクトな構造でありながら明るい表示画像を得ることができるが、反面ＬＥＤは温度が上昇すると照度が低下する欠点があって、その実用化が難しかった。こうした欠点に対しては、例えば図７に示すように、複数のＬＥＤ101を並設した配線板と、例えばアルミニウム板などの熱伝導性の良好な放熱部とを重ね合わせた金属基板102の裏面に、熱伝導シート103を介して例えばアルミダイカストなどで形成される放熱フィン104を熱的に接続し、各ＬＥＤ101からの熱を金属基板102の放熱部から放熱フィン104に達した熱を空気中に放出させたり、さらには図８に示すように、放熱フィン104の側面に軸流ファンとなる送風部105を配設し、放熱フィン104に達した熱を強制的に空気と熱交換させるものが知られている。しかし、これではＬＥＤ101の冷却部である放熱フィン104や送風部105と、ＬＥＤ101を金属基板102に装着したバックライト部が一つの箇所に重なり合って、薄型化が実現できない。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、ＬＥＤを効率よく冷却して高照度での使用を可能にしつつ、薄型構造の内部に無理なく組み込むことができるＬＥＤ冷却モジュールを提供することをその目的とする。

本発明の請求項１におけるＬＥＤ冷却モジュールでは、ＬＥＤから発生した熱が、受熱部となる基板の接続部に達すると、熱輸送体はこの熱を速やかに放熱部側に移動させて、送風部からの風により効率よく放熱することができる。そのためＬＥＤから放熱部への熱移動を妨げることなく、ＬＥＤを効率よく冷却して高照度での使用を可能にすると共に、送風部や放熱部を含めた冷却部と基板の接続部とを別々の位置に配設できる。また、接続部と送風部の部材を共通の部品とすることで、熱輸送体の他に接続部から送風部の部材への熱移動を可能にして、接続部や送風部をより小さくでき、省スペースで高性能なＬＥＤ冷却モジュールを得ることができる。

本発明の請求項２におけるＬＥＤ冷却モジュールでは、送風部に取り込んだ風を複数の排気孔に送り出して、各排気孔に設けた放熱部からＬＥＤの熱を効率よく奪うことができる。そのため、送風部からの排気量が増加して、ＬＥＤの冷却効果を高めることができる。

本発明の請求項３におけるＬＥＤ冷却モジュールでは、吸気孔から取り込んだ空気が送風部によって放熱部に送り出され、ＬＥＤの熱を効率よく放熱することができ、ＬＥＤの冷却効果を高めることができる。

本発明の請求項１におけるＬＥＤ冷却モジュールによれば、ＬＥＤを効率よく冷却して高照度での使用を可能にしつつ、薄型構造の内部に無理なく組み込むことが可能になる。また、放熱部や送風部をより小さくして、省スペース化および高性能化を図ることができる。

本発明の請求項２におけるＬＥＤ冷却モジュールによれば、ＬＥＤからの熱を複数の放熱部に分散でき、ＬＥＤの冷却効果を高めることができる。

本発明の請求項３におけるＬＥＤ冷却モジュールによれば、吸気孔から取り込んだ空気が送風部によって放熱部に送り出され、ＬＥＤの熱を効率よく放熱することができ、ＬＥＤの冷却効果を高めることができる。

以下、本発明における好ましい実施例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、実施例に示されているＬＥＤ冷却モジュールは、いずれも表示パネルを備えた車載用カーナビゲーションのコンソールボックスに収納されるが、それ以外の各種表示パネル搭載機器に内蔵若しくは外付けされてもよい。

参考例１

図１および図２は、本発明によるＬＥＤ冷却モジュールの第１参考例を示す。これらの各図において、１は表示パネル（図示せず）のバックライト用として設けられるＬＥＤで、ここでは複数個のＬＥＤ１が一列に並んでアレイ状に配置されている。２は複数のＬＥＤ１を装着したＬＥＤ基板たる金属基板で、この金属基板２は、例えばガラスエポキシ板材のような絶縁基材の表面に、銅箔による配線パターンをエッチング形成した配線板２Ａと、配線板２Ａの片面に密着する放熱板２Ｂとを重ね合わせて構成され、配線パターンの適所に形成した接続部に個々のＬＥＤ１が半田付け接続されるようになっている。なお、ここでの放熱板２Ｂは、良好な熱伝導性と軽量かつ安価であることの要件から、アルミニウムが一般に使用される。

ＬＥＤ１を金属基板２に実装してなるバックライト部は、熱伝導シート３を介して金属基板２の接続部である受熱プレート４の全面に接続される。また、５は熱輸送体としてのヒートパイプで、受熱部に相当する受熱プレート４と、パイプ押えとしてのパイプカバー６とで挟み込まれるように、受熱プレート４に締結される。前記熱伝導シート３は、金属基板２と受熱プレート４とが熱的に密着するように使用されるもので、熱伝導性がよいペーストなどを塗布してもよい。また、ヒートパイプ５は前記受熱プレート４の外面に接続する。このヒートパイプ５は、熱伝導性に優れた例えば銅などの管体内部に微少量の作動液を注入し、管体内部で作動液を還流させるもので、音速で移動する作動液によって極めて優れた熱応答性が得られる。またヒートパイプ５は、正面から見て略Ｕ字形の全体形状をなし、受熱プレート４の長手方向に沿って、この受熱プレート４と密着するように接続される受熱接続部５Ａと、この受熱接続部５Ａの両端部であって、いずれも受熱プレート４の短手一方向に向けて延びる一対の腕部５Ｂとにより構成される。さらに、ヒートパイプ５の断面は、受熱プレート４や後述する放熱フィン22の外面との密着性を高めるために扁平状に形成される。

11は、横長矩形状のモジュール本体で、これは合成樹脂からなる扁平状のケーシング12と、このケーシング12の正面または背面の開口を塞ぐ薄板状のカバー部材13とにより外郭部材が形成される。また、このモジュール本体11の内部には、複数のブレードを放射状に有するファン14と、このファン14を回転させる駆動部15とからなる扁平形の送風部16が設けられる。送風部16に対向するモジュール本体11の正面および背面（両面）には、モジュール本体11内に空気を取り入れるための吸気孔17，18が、それぞれ任意の形状（径若しくは面積）を有して形成される。またモジュール本体１の長手方向両側面には、送風部16に取り込んだ空気をモジュール本体11の外部に排出するための排気孔19がそれぞれ形成される。このようにモジュール本体11は、その内部に設けたファン14や駆動部15に対向するモジュール本体11の正面および背面に、各々吸気孔17，18を備えると共に、この吸気孔17，18と直交する送風部16の放射方向に複数の排気孔19を備えた構成となっている。

21は、送風部16からの排気風を利用して各ＬＥＤ１からの熱を空気中に効率よく放散させる放熱部で、この放熱部21は前記モジュール本体11の排気孔19に臨んでそれぞれ設けられている。ここでの放熱部21は、複数枚の板状の放熱フィン22を排気方向に沿って並列状態に配置して構成されるが、放熱部21の正面側には前記カバー部材13が延設していて、そこからの風の流れを妨げており、排気孔19からの風が放熱部21の側端面と背面に集中して流れるようになっている。そして、この放熱部21の背面に位置して、前記ヒートパイプ５の腕部５Ｂが各フィン22に接するように配設され、各々独立したモジュール本体11と受熱プレート４が、ヒートパイプ５により熱的に連結される。

前記放熱部21は排気孔19に対応して設けられ、本参考例では放熱部21をモジュール本体１の側面２方向に配置しているが、これは３方向或いは４方向に設けてもよい。逆に、ＬＥＤ１の発熱量が少なければ、排気孔19および放熱部21を各々一つずつだけ設けてもよい。このように排気孔19と放熱部21の個数は特に限定されないが、排気孔19と放熱部21が複数設けられているほうが、送風部16からの排気量が増加して、ＬＥＤ１の冷却効果を高めることができる。

また、本参考例のヒートパイプ５は放熱フィン22の片側に接する構造になっているが、各放熱フィン22を突き刺した構造でもよい。放熱フィン22を取り付ける場所は、ヒートパイプ５の先端部のみに限られず、中間の位置でもよい。このように、放熱フィン22をヒートパイプ５に取り付ける場所の自由度が高いので、表示パネル搭載機器内の空スペースを有効に利用してモジュール本体11を収納することができ、車載用ナビゲーションのようにサイズが予め規定されるときには、非常に有用である。

次に、上記構成においてその作用を説明すると、車載用ナビゲーションの電源部（図示せず）から金属基板２の配線板２Ａに電力が供給されると、表示パネルのバックライトとしての各ＬＥＤ１が連続点灯し、液晶表示器からなる表示パネルの後方を明るく照らす。それと同時に、送風部16の駆動部15にも所定の電力が供給され、モジュール本体11の内部においてファン14が回転する。これにより、ファン14の回転軸方向に設けられた各吸気孔17，18からファン14に向けて空気が取り込まれ、この空気がファン14の回転により直交するファン14の放射方向に送り出されて、モジュール本体11の両側面に開口した排気孔19から放熱部21に排出される。

一方、ＬＥＤ１が点灯し続けるのに伴って、各ＬＥＤ１からは熱が発生するが、この熱は金属基板２の裏面側にある放熱板２Ｂに速やかに伝達され、ＬＥＤ１の装着部分だけが集中的に温度上昇するのを防止する。また放熱板２Ｂに達した熱は、そこから熱伝導シート３を通過して金属製の受熱プレート４に伝わり、この受熱プレート４に密着したヒートパイプ５の受熱接続部５Ａへと移動する。ヒートパイプ５の受熱接続部５Ａは、受熱プレート４の外面との密着面積を極力増やすために断面扁平状に形成されており、受熱プレート４に達した熱を効率よく奪うことができる。なお、密着面積を増やす別な手法としては、受熱プレート４に代わる中実な受熱部に溝または穴を形成して、この溝や孔に密着するようにヒートパイプ５を接続してもよい。また、受熱プレート４でヒートパイプ５の受熱接続部５Ａを挟んで、ヒートパイプ５の両面に受熱部を具備させてもよい。

前述のように、モジュール本体11側では、各吸気孔17，18から取り込んだ空気が送風部16によって放熱部21に送り出され、ヒートパイプ５の腕部５Ｂが接続する各放熱フィン22間からモジュール本体11の外部に空気が排出されている。そのため、ヒートパイプ５の受熱接続部５Ａに達した熱は、自ずとその両端部に位置する温度の低い各腕部５Ｂへと均等にかつ速やかに移動し、そこで排気孔19から流れ出る空気に触れて、モジュール本体11の両側から効率よく外部に排気される。特に本参考例では、ヒートパイプ５の腕部５Ｂを板状に形成された各放熱フィン22に突き刺すのではなく、片側に接して設けているので、放熱フィン22間を流れる空気が、ヒートパイプ５に邪魔されることなく、腕部５Ｂに達した熱をきわめて効率よく奪いながら、排気孔19の反対側に位置する放熱フィン22の外端面から、外部に排出させることが可能になる。

こうして各ＬＥＤ１で発生した熱は、金属基板２から受熱プレート４へと伝達し、そこからヒートパイプ５内の作動液により、音速で冷却モジュール11の放熱部21に移動して、放熱フィン22間を流れる風によって外部に放熱される。そのため、温度が上昇すると輝度が下がる特性を持つＬＥＤ１の発熱が押さえられ、高い輝度の光源を得ることができ、車内において昼夜を問わず安定した鮮明な表示画像を見ることができる。しかも、受熱プレート４とモジュール本体11はヒートパイプ５で繋がれており、ＬＥＤ１を金属基板２に実装したバックライト部とモジュール本体11とを一箇所に重ねて配置する必要がないので、バックライト部の自由な配置が可能になり、本参考例のＬＥＤ冷却モジュールを薄型構造の内部に無理なく組み込むことができる。

以上のように、本参考例におけるＬＥＤ冷却モジュールは、冷却のための回転するファン14を備えた送風部16と、ＬＥＤ１を装着した基板（金属基板２）と接続可能な接続部としての受熱プレート４と、送風部16からの風が吹き付けられる放熱部21とを備え、受熱プレート４と放熱部21との間を熱輸送体であるヒートパイプ５で接続した構成を有している。

この場合、ＬＥＤ１から発生した熱が、受熱部となる受熱プレート４に達すると、ヒートパイプ５はこの熱を速やかに放熱部21側に移動させて、送風部16からの風により効率よく放熱することができる。そのためＬＥＤ１から放熱部21への熱移動を妨げることなく、ＬＥＤ１を効率よく冷却して高輝度での使用を可能にすると共に、送風部16や放熱部21を含めた冷却部としてのモジュール本体11と、受熱プレート４とを別々の位置に都合よく配設できる。

また本参考例では、送風部16に複数の排気孔19を備え、これらの各排気孔19の一部または全てに放熱部21を各々設けているので、送風部16に取り込んだ風を複数の排気孔19に送り出して、各排気孔19に設けた放熱部21からそれぞれＬＥＤ１の熱を効率よく奪うことができる。そのため、ＬＥＤ１からの熱を複数の放熱部21に分散でき、送風部16からの排気量が増加して、ＬＥＤ１の冷却効果を高めることができる。

さらに、ヒートパイプ５の両端に放熱部21を設けているため、より省スペースで、高効率に外部に放熱させることが可能になる。

参考例２

次に、本発明の別な第２参考例について、図３を使って説明する。図２において、アレイ状に配置したＬＥＤ１，金属基板２，熱伝導シート３、受熱プレート４で構成される発熱部分は、前記第１参考例と同等である。この例では、モジュール本体11の一側にのみ排気孔19と、複数枚の放熱フィン22からなる放熱部21がそれぞれ単独に設けられていると共に、ヒートパイプ５は受熱接続部５Ａの一端部として、受熱プレート４の短手一方向に向けて延びる腕部５Ｂが設けられ、この腕部５Ｂが放熱フィン22の片側に接している。それ以外の構成は第１参考例と共通している。

この参考例においても、各ＬＥＤ１で発生した熱が、金属基板２から受熱プレート４へと伝達し、そこからヒートパイプ５内の作動液により、音速で冷却モジュール11の放熱部21に移動して、放熱フィン22間を流れる風によって外部に効率よく放熱される。そのため、温度が上昇すると照度が下がる特性を持つＬＥＤ１の発熱が押さえられ、高い照度の光源を得ることができる。また、前記第１参考例と比較して、放熱部21が１箇所にだけ設けられているので、軽量で安価にできる長所がある。

参考例３

図４は、本発明の第３参考例を示すものである。この参考例では、第１参考例と同様に、ヒートパイプ５の基部となる受熱接続部５Ａの両端に一対の腕部５Ｂを配設する一方で、モジュール本体11に複数個すなわち２個の送風部16を配設し、それぞれの送風部16に対応して、単独の排気孔19と放熱部21を設けている。

そしてこの場合も、第１参考例や第２参考例と同様に、金属基板２と接続可能な接続部としての受熱プレート４と、送風部16からの風が吹き付けられる放熱部21との間をヒートパイプ５で接続した構成を有しており、ＬＥＤ１から発生した熱が受熱プレート４に達すると、ヒートパイプ５はこの熱を速やかに放熱部21側に移動させて、送風部16からの風により効率よく放熱することができる。

またこの参考例では、モジュール本体11に複数の送風部16を備え、個々の送風部16から送り出される風を利用して、各放熱部21と熱的に接続したヒートパイプ５の腕部５Ｂから、より高い風量で熱を奪うことができる。このように、送風部16の個数が増える分だけ送風能力が向上することから、ＬＥＤ１からの熱をより効率よく外部に放散させることが可能になる。なお図４では、２つの送風部16を共通のケーシング12とカバー部材13の内部に設けているが、別々の外郭部材に切り離して設置してもよく、設置スペースの自由度が高くなる。

図５および図６は、本発明の第１実施例を示すものである。この実施例では、第１参考例と同様に、ヒートパイプ５の基部となる受熱接続部５Ａの両端に一対の腕部５Ｂを配設する一方で、金属基板２の接続部である受熱プレート４と、送風部16の外郭部材となるカバー部材13とを、別体とせず共通の金属部品で形成している。またケーシング12は、モジュール本体11の軽量化を図るために、プラスチック材料で形成される。

そして本実施例においても、金属基板２と接続可能な接続部としての受熱プレート４と、送風部16からの風が吹き付けられる放熱部21との間をヒートパイプ５で接続した構成を有しており、ＬＥＤ１から発生した熱が受熱プレート４に達すると、ヒートパイプ５はこの熱を速やかに放熱部21側に移動させて、送風部16からの風により効率よく放熱することができる。

また、金属基板２の接続部である受熱プレート４と、送風部16の外郭部材であるカバー部材13を一体に形成し、受熱プレート４とカバー部材13を共通の部品とすることで、ヒートパイプ５の他に受熱プレート４からカバー部材13への熱移動が可能になる。これにより、受熱プレート４や送風部16をより小さくでき、省スペースで高性能なＬＥＤ冷却モジュールを得ることができる。

本実施例では受熱プレート４とカバー部材13を共通の部品で形成しているが、送風部16の別な外郭部材であるケーシング12を、金属基板２の接続部と共通の部品で形成してもよい。その場合、ケーシング12はプラスチック材料ではなく、例えばアルミニウムのような熱伝導性の良好な材料とするのが好ましく、それによりＬＥＤ１からの熱の一部を接続部からケーシング12に直接移動させて、送風部16からの風により効果的に放熱を行なうことができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。また、ヒートパイプの形状や受熱プレートとの締結方法には種々の変形が可能であることは勿論である。

本発明の第１参考例を示すＬＥＤ冷却モジュールの正面方向に見た斜視図である。同上、ＬＥＤ冷却モジュールを正面方向に見た斜視図である。本発明の第２参考例を示すＬＥＤ冷却モジュールの正面方向に見た斜視図である。本発明の第３参考例を示すＬＥＤ冷却モジュールの背面方向に見た斜視図である。本発明の第１実施例を示すＬＥＤ冷却モジュールの正面方向に見た斜視図である。同上、バックライト部を装着しない状態で、ＬＥＤ冷却モジュールを背面方向に見た斜視図である。従来例を示す斜視図である。別な従来例を示す斜視図である。

符号の説明

１ＬＥＤ
２金属基板（基板）
４受熱プレート（接続部）
５ヒートパイプ
11 モジュール本体
12 ケーシング（外郭部材）
13 カバー部材（外郭部材）
16 送風部
17，18 吸気孔
19 排気孔
21 放熱部

Claims

送風部と、ＬＥＤを装着した基板の接続部と、前記送風部からの風が吹き付けられる放熱部とを備え、前記接続部と前記放熱部との間を熱輸送体で接続し、前記接続部と前記送風部の部材を共通部品で一体形成し、前記熱輸送体の他に前記接続部から前記送風部の部材へ熱移動を可能にしたことを特徴とするＬＥＤ冷却モジュール。
前記送風部に複数の排気孔を備え、前記各排気孔の一部または全てに前記放熱部を各々設けたことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ冷却モジュール。
前記送風部はモジュール本体に設けられ、該モジュール本体は前記送風部と対向する両面に吸気孔を設けたことを特徴とする請求項１または２記載のＬＥＤ冷却モジュール。