JP5384990B2 - 水冷式ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源ユニットと制御回路ユニットを冷却水によって強制冷却する方式を採用した水冷式ＬＥＤ照明装置に関するものである。

近年、車両用前照灯や屋外照明灯等の照明装置としては、キセノンランプやナトリウムランプ等の大光量ランプを光源とするものから、長寿命で低消費電力のＬＥＤを光源とするものへの置き換えが進んでおり、ＬＥＤを光源とするＬＥＤ照明装置に対しては更なる高出力化が望まれている。

ところで、現在普及しているキセノンランプは２００Ｗ〜２０００Ｗ程度の出力のものが多く、これに代わるＬＥＤ照明装置への投入電力も増加していく傾向にあり、最近では１つのＬＥＤ照明装置への投入電力が２００Ｗを超えるものも開発されてきている。

このようなＬＥＤ照明装置の大電力化に伴ってＬＥＤ光源ユニットの発熱量も増加するため、温度によって寿命や出力が変化するＬＥＤ光源においては、温度をより低く安定して駆動するための冷却構造が重要な開発課題となっている。その冷却構造として例えば特許文献１には、ＬＥＤ実装基板を金属製の放熱固定板に金属製の放熱カバーによって押圧固定するとともに、該ＬＥＤ実装基板が固定された放熱固定板を透光性カバーと樹脂ケースによって形成された密閉空間内に配置し、放熱固定板には複数の放熱フィンを形成する構成が提案されている。この構成では、ＬＥＤ光源で発生した熱は、ＬＥＤ実装基板を介して放熱固定板に伝導されるとともに、放熱カバーを介して放熱固定板に伝導され、この放熱固定板に伝導された熱は放熱フィンから樹脂ケースを経て大気中に放散されるためにＬＥＤ光源が冷却される。

又、特許文献２には、光源としてのＬＥＤと、該ＬＥＤを空冷又は水冷可能なヒートシンクと、ＬＥＤを発光させるための電流を印加する発光回路と、照明装置が水中にあることを検出する水滴センサを備えた照明装置において、水滴センサによって当該照明装置が水中にないことが検出されると発光回路がＬＥＤに供給する電流を制限してＬＥＤの過熱を防ぎ、当該照明装置が水中にあることが検出されると発光回路がＬＥＤに高電流を供給して該ＬＥＤの発光輝度を高めるようにした構成が提案されている。

特開２００２−２９９７００号公報 特開２００３−０４７９１４号公報

ところが、特許文献１において提案された自然放熱構造では高い冷却効果を期待することができず、更なる高出力化に対応するには限界がある。

又、特許文献２において提案された構成では、ＬＥＤに高電流を供給するのは照明装置が水中にあるときに限定され、照明装置が水中にないときには自然冷却による放熱に頼らざるを得ないためにＬＥＤに高電流を供給することができないという問題がある。

ところで、ＬＥＤ照明装置には光源ユニットを点灯制御するための制御回路ユニットが必須であって、この制御回路ユニットに設けられた各種電子部品も発熱するため、当該ＬＥＤ照明装置の高出力化の実現には制御回路ユニットも光源ユニットと同様に冷却する必要がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、光源ユニットと制御回路ユニットを冷却水によって強制冷却することによって高出力化を実現することができる水冷式ＬＥＤ照明装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、
ハウジングと、
ＬＥＤを光源とする光源ユニットと、
水冷ジャケット、ラジエータ、循環ポンプ及びファンを備えた水冷ユニットと、
前記光源ユニットと点灯制御する制御回路ユニットと、
を含んで構成される水冷式ＬＥＤ照明装置において、
前記光源ユニットと前記制御回路ユニットを前記水冷ユニットの水冷ジャケットを挟んでこれの両側に配置し、
前記制御回路ユニットの一方の面を前記水冷ジャケットに密着させ、他方の面に放熱部を設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源ユニットと前記制御回路ユニットを熱伝導シートを介して前記水冷ジャケットに密着させたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記水冷ユニットの水冷ジャケットとラジエータとの間に空間部を形成し、該空間部に前記制御回路ユニットを配置したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、水冷ユニットにおいては循環ポンプによって冷却水が閉ループを循環し、水冷ジャケットの両側に配された光源ユニットと制御回路ユニットが冷却水によって強制冷却されるため、これらの光源ユニットと制御回路ユニットの温度上昇が抑えられて当該水冷式ＬＥＤ照明装置の高出力化が実現される。尚、水冷ジャケットにおいて光源ユニットと制御回路ユニットから受熱して温度の上昇した冷却水は、ラジエータにおける外気との熱交換によって冷却された後、水冷ジャケットに供給されて光源ユニットと制御回路ユニットの冷却に供され、このように冷却水が閉ループ内を循環しながら冷却と放熱を繰り返すことによって光源ユニットと制御回路ユニットが連続的に強制冷却されてその温度上昇が抑えられる。

又、制御回路ユニットの一方に面を水冷ジャケットに密着させ、他方の面に放熱部を設けたため、制御回路ユニットが冷却水によって強制冷却されると同時に放熱部から自然放熱されるため、該制御回路ユニットが効率良く冷却されてその温度上昇が一層効果的に押えられる。

請求項２記載の発明によれば、光源ユニットの全面が熱伝導率の高い熱伝導シートを介して水冷ジャケットに密着するため、光源ユニットの全面が伝熱面となって該光源ユニットが冷却ジャケットを流れる冷却水によって効率良く冷却される。因に、熱伝導シートを用いないで光源ユニットの全面を水冷ジャケットに密着させることは困難であり、実際には光源ユニットは水冷ジャケットに部分的にしか接触しないため、その冷却効率を高めることは不可能である。

請求項３記載の発明によれば、水冷ユニットの水冷ジャケットとラジエータとの間に形成された空間部に制御回路ユニットを配置したため、ファンによってハウジング内に導入された冷却風が空間部を流れることによって制御回路ユニットが強制空冷され、冷却水によっても強制冷却される制御回路ユニットが一層効率良く冷却されてその温度上昇が効果的に押えられる。

本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の斜視図である。 図１の矢視Ａ方向の図である。 図１の矢視Ｂ方向の図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。 図３のＤ−Ｄ線断面図である。 図３のＥ−Ｅ線断面図である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の分解斜視図である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の水冷ユニットの基本構成図である。 水冷システムを用いたＬＥＤ照明装置と自然空冷システムを用いたＬＥＤ照明装置についてＬＥＤへの投入電流と出力光束値との関係を示す図である。 ヒートシンクの斜視図である。 本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の他の形態を示す断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の斜視図、図２は図１の矢視Ａ方向の図、図３は図１の矢視Ｂ方向の図、図４は図３のＣ−Ｃ線断面図、図５は図３のＤ−Ｄ線断面図、図６は図３のＥ−Ｅ線断面図、図７は本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置の分解斜視図、図８は同水冷式ＬＥＤ照明装置の水冷ユニットの基本構成図である。

本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置１は、図４〜図７に示すように、矩形ボックス状のハウジング２の内部に光源ユニット３と制御回路ユニット４及び水冷ユニット５を組み込んで構成されている。尚、以下の説明における水冷式ＬＥＤ照明装置１の上下は図１に示す状態においてのものであって、該水冷式ＬＥＤ照明装置１の設置が必ずしも図１に示す状態でなされる訳ではない。

上記ハウジング２は、ＰＣ等の樹脂或はアルミニウム等の金属で構成されており、図１に示すように、その周面には縦方向の長い複数のスリットから成る吸気口６が形成され、上面には扇形の複数のスリットから成る排気口７が形成されている。そして、このハウジング２の下面は開口しており、この開口部には前記光源ユニット３が嵌め込まれて固定されている。

上記光源ユニット３は、図４〜図７に示すように、光源であるＬＥＤ８（図８参照）を実装して成る複数（図示例では９枚）のメタル基板９と、これらのメタル基板９を取り付ける矩形プレート状のベース１０及びハウジング２の下面開口部に嵌め込まれる矩形プレート状の透明な樹脂製のレンズ１１を含んで構成されている。尚、図７において、１２はケーブルコネクタである。

本実施の形態では、ＬＥＤ８を実装して成る９枚のメタル基板９は縦横３列のマトリックス状に配置されており、これに対応してアルミダイキャスト製のベース１０にもＬＥＤ８と同数の台座１０ａ（図４及び図６参照）が縦横３列のマトリックス状に一体に突設されている。そして、各メタル基板９は、矩形の熱伝導性シート１３を介してベース１０の各台座１０ａにネジ止めによって固定されている。尚、各熱伝導シート１３は、絶縁性と熱伝導率の高いシリコン等によって構成されている。

又、前記制御回路ユニット４は、図７に示すように、下面が開口する矩形ボックス状の回路ケース１４の内部に不図示の各種電子部品が実装された回路基板１５を組み込み、回路ケース１４の下面開口部を矩形プレート状のカバー１６によって覆うことによって構成されている。ここで、回路ケース１４は熱伝導率の高いアルミダイキャスト等によって成形されており、その上面には放熱部を構成する多数の放熱ピン１７が一体に突設されている。そして、この回路ケース１４の内部上面には回路基板１５が絶縁性と熱伝導率の高いシリコン等から成る矩形の熱伝導シート１８を介して密着されている。尚、回路ケース１４とカバー１６との接合部にはＯリング１９が介装されており、このＯリング１９のシール作用によって回路ケース１４内が密封され、外部から回路ケース１４内への水等の浸入が防がれている。

前記水冷ユニット５は、図４〜図８に示すように、熱交換器である水冷ジャケット２０と、該水冷ジャケット２０において受熱して温度が高くなった冷却水を外気（冷却風）との熱交換によって冷却するラジエータ２１と、該ラジエータ２１に冷却風を供給するファン２２と、冷却水を閉ループの循環経路内で循環させる循環ポンプ２３及び冷却水を貯留するリザーブタンク２４を備えており、ファン２２はラジエータ２１と対向してこれの上方に配置されている。

ところで、上記水冷ジャケット２０は、中空の矩形板状に成形されており、図４〜図６に示すように、その内部には冷却水通路が形成されている。そして、この冷却ジャケット２０の一端上には、図５及び図７に示すように、ラジエータ２１において外気（冷却風）との熱交換によって冷却された冷却水が流入する入口パイプ２５と、当該秋冷ジャケット２０において受熱して温度が高くなった冷却水を排出する出口パイプ２６が立設されている。

而して、本実施の形態では、図４及び図６に示すように、ハウジング２内下部の底部に水冷ジャケット２０が水平に配置されており、この水冷ジャケット２０を挟んでこれの上下に制御回路ユニット４と光源ユニット３が配置されている。ここで、水冷ジャケット２０の下面側に配された光源ユニット３は、そのベース１０が矩形の熱伝導シート２７を介して水冷ジャケット２０の下面に密着している。尚、本実施の形態では、熱伝導シート２７は、絶縁性と熱伝導率の高いシリコン等によって構成されている。

又、制御回路ユニット４は、そのカバー１６が水冷ジャケット２０の上面に密着する状態で該水冷ジャケット２０の上面側に配置されている。尚、本実施の形態では、冷却水として水にプロピレングリコールを混合して成る不凍液が使用されている。

他方、図４及び図６に示すように、ハウジング２内の水冷ジャケット２０から離間した上部には前記ラジエータ２１とファン２２が配置されており、水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間には空間部Ｓが形成され、この空間部Ｓに制御回路ユニット４と前記循環ポンプ２３及び前記リザーブタンク２４が配置されている。具体的には、水冷ジャケット２０上には門型のシャーシ２８が立設されており、このシャーシ２８によって囲まれる空間に制御回路ユニット４が配され、シャーシ２８上に循環ポンプ２３とリザーブタンク２４が設置されている。

ここで、図５及び図８に示すように、水冷ジャケット２０の出口パイプ２６から上方へ立ち上がる配管（ゴムホース）２９は、ラジエータ２１の入口パイプ３０に連結されており、ラジエータ２１の出口パイプ３１から延びる配管（ゴムホース）３２は、下方に延びた後に略直角に曲げられて循環ポンプ２３の吸入側に接続されている。そして、循環ポンプ２３の吐出側から延びる配管（ゴムホース）３３は、図８に示すようにリザーブタンク２４の入口側に接続されており、リザーブタンク２４の出口側から下方に延びる配管（ゴムホース）３４は水冷ジャケット２０の入口パイプ２５に接続されている。このように水冷ジャケット２０、ラジエータ２１、循環ポンプ２３及びリザーブタンク２４は配管（ゴムホース）２９，３２〜３４によって連結されて開ループを成す循環経路が形成されており、この循環経路を冷却水が循環することによって所要の冷却作用がなされる。

而して、以上のように構成された水冷式ＬＥＤ照明装置１が起動されて光源ユニット３と制御回路ユニット４及び水冷ユニット５に電源が供給されると、光源ユニット３の複数（本実施の形態では９個）のＬＥＤ８が発光し、その光はレンズ１１を透過して図１の下方に向かって照射されることによって前方を照明するが、光源ユニット３の点灯制御は制御回路ユニット４によってなされ、駆動中において光源ユニット３のＬＥＤ８及び制御回路ユニット４の各種電子部品（不図示）が発熱し、そのままでは光源ユニット３と制御回路ユニット４が過熱されて温度が上昇する。

然るに、本実施の形態では、水冷ユニット５が同時に駆動され、光源ユニット３と制御回路ユニット４は、前述のように図８に示す循環経路を循環する冷却水によって強制冷却されてその温度上昇が抑えられる。

即ち、循環ポンプ２３によって循環経路を循環する冷却水は、水冷ジャケット２０において光源ユニット３及び制御回路ユニット４において発生する熱を受熱して光源ユニット３及び制御回路ユニット４を冷却し、受熱して温度の高くなった冷却水は、配管２９を通ってラジエータ２１へと導入される。

他方、ファン２２が不図示のモータによって回転駆動されると、外気がハウジング２の周面に形成された吸気口６から冷却風としてハウジング２内に側方から吸引され、この冷却風は水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間に形成された空間部Ｓを上方に向かって流れ、その過程でラジエータ２１を通過し、ハウジング２の上面に開口する排気口７から外部に排出される。そして、ラジエータ２１においては、ここを通過する冷却風によって冷却水の熱が外部に放熱されて該冷却水が冷却され、温度の下がった冷却液水は、配管３２を通って循環ポンプ２３に吸引される。

循環ポンプ２３に吸引された冷却水は昇圧された後に循環ポンプ２３から配管３３を通ってリザーブタンク２４へと送り出され、その一部はリザーブタンク２４に貯留され、残りの冷却水はリザーブタンク２４から配管３４を通って水冷ジャケット２０へと導入されて光源ユニット３と制御回路ユニット３の冷却に供される。そして、以上の作用（冷却サイクル）が連続的に繰り返されて光源ユニット３と制御回路ユニット４が水冷ジャケット２０を流れる冷却水によって強制冷却され、それらの温度上昇が一定値以下に抑えられる。

而して、本実施の形態では、水冷ジャケット２０を挟んでこれの上下に制御回路ユニット４と光源ユニット３を配置したため、循環ポンプ２３によって冷却水が閉ループの循環経路を循環することによって、水冷ジャケット２０の両側に配された光源ユニット３と制御回路ユニット４が冷却水によって同時に強制冷却される。この結果、これらの光源ユニット３と制御回路ユニット４の温度上昇が抑えられて当該水冷式ＬＥＤ照明装置１の高出力化が実現される。

又、本実施の形態では、制御回路ユニット４の下面を水冷ジャケット２０に密着させ、上面に放熱部を構成する多数の放熱ピン１７を突設したため、制御回路ユニット４が冷却水によって強制冷却されると同時に放熱ピン１７から自然放熱されるため、該制御回路ユニット４が効率良く冷却されてその温度上昇が一層効果的に抑えられる。

更に、本実施の形態では、光源ユニット３はその全面が熱伝導率の高い熱伝導シート２７を介して水冷ジャケット２０の下面に密着するため、光源ユニット３の全面が伝熱面となって該光源ユニット３が冷却ジャケット２０を流れる冷却水によって効率良く冷却される。因に、熱伝導シート２７を用いないで光源ユニット３の全面を水冷ジャケット２０に密着させることは困難であり、実際には光源ユニット３は水冷ジャケット２０に部分的にしか接触しないため、その冷却効率を高めることは不可能となる。或いは、熱伝導シート２７を用いないで光源ユニット３の全面を水冷ジャケット２０に密着させるには、光源ユニット３の金属製のベース１０と同じく金属製の水冷ジャケット２０の接合面を研磨加工等によって平滑に仕上げ加工すれば良いが、このような仕上げ加工には多大な工数と時間及びコストを要するために現実的ではない。

又、本実施の形態では、水冷ユニット５の水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間に形成された空間部Ｓに制御回路ユニット４を配置したため、ファン２２によってハウジング２内に導入された冷却風が空間部Ｓを流れることによって制御回路ユニット４が強制空冷され、冷却水によっても強制冷却される制御回路ユニット４が一層効率良く冷却されてその温度上昇が効果的に抑えられるという効果も得られる。

ここで、本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置１のように水冷システムを用いたＬＥＤ照明装置と自然空冷システムを用いたＬＥＤ照明装置についてＬＥＤへの投入電流と出力光束値との関係を調べた結果を図９に示す。尚、自然空冷システムを用いたＬＥＤ照明装置は、本実施の形態と同一の光源ユニット３とベース１０を用い、水冷ジャケット２０の代わりに図１０に示すようなアルミニウム製のヒートシンク２０’をベース１０に取り付けて構成されており、このＬＥＤ照明装置においても、実施の形態と同じ制御回路ユニット４を用いて同一条件で光源ユニット３を点灯制御した。尚、図１０に示すヒートシンク２０’としては、水冷ジャケット２０と同一面積（ベース１０と同一面積）の土台部２０Ａ’と該土台部２０Ａ’から背面（光源ユニット３の反対側）に長さ３０ｍｍ〜５０ｍｍ突出する平型フィン２０Ｂ’を多数突設して成るものを用いた。

図９に示す結果より、自然冷却システムを用いたＬＥＤ照明装置では投入電流が０．５
Ａ程度で出力の低下が激しくなり、１Ａ以上の電流で駆動すると逆に出力が低下する現象が発生することが分かる。これはＬＥＤの温度特性（高温になるほど効率が低下する特性）に起因する。

これに対して、水冷システムを用いたＬＥＤ照明装置では、１Ａ以上の電流で駆動しても出力の低下は少なく、本実施の形態では自然空冷の２倍以上の電流で駆動することができ、約２倍の光束を得ることができた。

又、制御回路ユニットは投入電力の５％〜２０％が熱として損失となる。従って、投入電力が大きくなればなるほど、制御回路ユニットも冷却が必須となり、本実施の形態では約２０Ｗもの熱が駆動回路ユニット４から発生した。制御回路ユニットを安定して運転するためには、回路部品の環境温度は８０℃以下が望ましく、自然放熱とした場合、放熱器のサイズは非常に大きなものとなる。例えば、本実施の形態では、回路ケース１４に高さ３５ｍｍ以上の放熱ピン１７を形成する必要があった。

水冷システムを用いた本発明に係る水冷式ＬＥＤ照明装置１によれば、光源ユニット３と同様の冷却経路によって制御回路ユニット４も水冷によって強制冷却されるため、制御回路ユニット４単独での放熱構造は不要となり、非常にコンパクトな設計が可能となる。

尚、以上の実施の形態では、水冷ユニット５のラジエータ２１とファン２２をハウジング２内で光源ユニット３及び制御回路ユニット４の上方に且つこれらから離間させて上下方向に直列に配置したために全体の高さが高くなるが、図１１に示すように、ラジエータ２１とファン２２を光源ユニット３及び制御回路ユニット４の横に並設する構成を採用すれば全高を低く抑えることができる。

１ 水冷式ＬＥＤ照明装置
２ ハウジング
３ 光源ユニット
４ 制御回路ユニット
５ 水冷ユニット
６ 吸気口
７ 排気口
８ ＬＥＤ
９ メタル基板
１０ ベース
１０ａ ベースの台座
１１ レンズ
１２ ケーブルコネクタ
１３ 熱伝導シート
１４ 回路ケース
１５ 回路基板
１６ カバー
１７ 放熱ピン
１８ 熱伝導シート
１９ Ｏリング
２０ 水冷ジャケット
２１ ラジエータ
２２ ファン
２３ 循環ポンプ
２４ リザーブタンク
２５ 水冷ジャケットの入口パイプ
２６ 水冷ジャケットの出口パイプ
２７ 熱伝導シート
２８ シャーシ
２９ 配管（ゴムホース）
３０ ラジエータの入口パイプ
３１ ラジエータの出口パイプ
３２〜３４ 配管（ゴムホース）
Ｓ 空間部

Claims (3)

1. ハウジングと、
   ＬＥＤを光源とする光源ユニットと、
   水冷ジャケット、ラジエータ、循環ポンプ及びファンを備えた水冷ユニットと、
   前記光源ユニットと点灯制御する制御回路ユニットと、
   を含んで構成される水冷式ＬＥＤ照明装置において、
   前記光源ユニットと前記制御回路ユニットを前記水冷ユニットの水冷ジャケットを挟んでこれの両側に配置し、
   前記制御回路ユニットの一方の面を前記水冷ジャケットに密着させ、他方の面に放熱部を設けたことを特徴とする水冷式ＬＥＤ照明装置。
2. 前記光源ユニットと前記制御回路ユニットを熱伝導シートを介して前記水冷ジャケットに密着させたことを特徴とする請求項１記載の水冷式ＬＥＤ照明装置。
3. 前記水冷ユニットの水冷ジャケットとラジエータとの間に空間部を形成し、該空間部に前記制御回路ユニットを配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の水冷式ＬＥＤ照明装置。
   

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