JP5435680B1 - ヒートシンクおよび排熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱体からの熱を従来よりも効率良く逃がすことができるヒートシンクを提供する。
【解決手段】本発明のヒートシンク2は、それぞれ弓形をなして全体的に放射状に形成された複数のフィン8と、複数のフィン8を間に挟んで対向する状態に配置された前板部7および後板部15と、を備える。前板部7は、発熱体に対して熱的に接続可能に形成され、後板部15には、吸気口17が形成されている。複数のフィン8は、互いに隣り合う2つのフィン8の間に通気路10を形成している。そして、ファン3の回転により吸気口17を通して吸気した場合に、複数のフィン8の外側から各々の通気路10に空気を取り込むとともに、各々の通気路10を流れた空気を合流させることにより、渦巻き状の空気流を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、発熱体の熱を逃がすために用いられるヒートシンクとこれを備える排熱装置に関する。

従来、発熱体で発生した熱を逃がすためにヒートシンクが用いられている。ヒートシンクは、熱伝導性を有する材料を用いて構成されている。ヒートシンクの基本的な原理は、ヒートシンク自身の熱容量と表面積をできるだけ大きく確保し、発熱体からヒートシンクに効率良く熱を伝えて放熱しようとするものである。このため、従来においては、複数のフィンを備えたヒートシンクを用いて、発熱体の熱を外部に逃がす技術が知られている(たとえば、特許文献1、2を参照)。

現在、ヒートシンクは様々な分野で利用されている。その一つにLED(発光ダイオード)を光源(以下「LED光源」ともいう。)に用いた照明装置の分野がある。この種の照明装置は、消費電力が少ない、寿命が長い、などの利点を有する。このため、室内用または屋外用の照明器具として急速に普及しつつある。

その一方で、車両用の照明灯等にLED光源を用いる技術が知られている(たとえば、特許文献3〜5を参照)。ただし、LEDは、温度の上昇によって発光効率が低下し、寿命も短くなる。このため、点灯時にLEDで発生する熱を、ヒートシンクを用いて効率良く逃がす必要がある。

米国特許第5661638号明細書 特開2009−49010号公報 特許第4785038号公報 特開2008−10228号公報 特開2011−210695号公報

一般に、車両用の照明灯等、特に、前照灯の光源にLED光源を用いる場合は、夜間の運転に必要な照度を確保するためにパワーLEDを採用する必要がある。ただし、パワーLEDは多量に熱を発生する。このため、必要照度の確保と熱対策の両立が非常に困難な状況になっている。また、出願人は、特許文献5において、LEDバルブのバルブ本体にヒートシンクを取り付けて放熱性を高めている。ただし、特許文献5に開示したヒートシンクでは、実用上必ずしも十分な効果が得られないことが分かった。

本発明の主な目的は、発熱体からの熱を従来よりも効率良く逃がすことができるヒートシンクとこれを備える排熱装置を提供することにある。

本発明の第1の態様は、
それぞれ弓形をなして全体的に放射状に形成された複数のフィンと、
前記複数のフィンを間に挟んで対向する状態に配置された前板部および後板部と、
を備えるヒートシンクであって、
前記前板部は、発熱体に対して熱的に接続可能に形成され、
前記後板部には、吸気口が形成され、
前記複数のフィンは、互いに隣り合う2つのフィンの間に通気路を形成し、
前記吸気口を通して吸気した場合に、前記複数のフィンの外側から各々の通気路に空気を取り込むとともに、各々の通気路を流れた空気を合流させることにより、当該合流させた空気がヒートシンクの中心軸方向に渦巻き状の空気流を形成する
ことを特徴とするヒートシンクである。

本発明の第2の態様は、
前記複数のフィンは、前記各々の通気路の断面積が外側から内側に向かって徐々に小さくなるように形成され、
前記吸気口を通して吸気した場合に、前記各々の通気路を流れる空気の流速をベンチュリー効果によって増加させる
ことを特徴とする上記第1の態様に記載のヒートシンクである。

本発明の第3の態様は、
前記複数のフィンは、前記前板部の片面に一体に形成されている
ことを特徴とする上記第1または第2の態様に記載のヒートシンクである。

本発明の第4の態様は、
前記前板部の片面には、前記発熱体にヒートシンクを取り付けるための円筒部が、前記複数のフィンとともに一体に形成され、
前記複数のフィンは、前記円筒部の外周側に環状の溝空間を介在させた状態で形成されている
ことを特徴とする上記第3の態様に記載のヒートシンクである。

本発明の第5の態様は、
前記各々の通気路の下流側において、前記各々の通気路を形成する前記フィンの端部が、前記円筒部の外周面に接する仮想直線に沿う向きで配置されている
ことを特徴とする上記第1〜第4の態様のいずれかに記載のヒートシンクである。

本発明の第6の態様は、
前記複数のフィンの外側を取り囲む周壁部を有し、
前記周壁部には前記複数のフィンの配置に対応して複数の空気取込口が形成されている
ことを特徴とする上記第1〜第5の態様のいずれかに記載のヒートシンクである。

本発明の第7の態様は、
前記前板部の厚み方向において、前記前板部の片面を基準とした前記円筒部の突出寸法が前記複数のフィンの突出寸法よりも小さく設定されている
ことを特徴とする上記第4の態様に記載のヒートシンクである。

本発明の第8の態様は、
前記発熱体には、雄ネジが形成され、
前記前板部の円筒部には、前記雄ネジと組み合う雌ネジが形成されている
ことを特徴とする上記第4または第7の態様に記載のヒートシンクである。

本発明の第9の態様は、
前記発熱体は、前照灯に用いられるLEDバルブである
ことを特徴とする上記第1〜第8の態様のいずれかに記載のヒートシンクである。

本発明の第10の態様は、
上記第1〜第9の態様のいずれかに記載のヒートシンクと、
前記吸気口を通して前記ヒートシンク側から空気を吸い込むファンと、
を一体に備えることを特徴とする排熱装置である。

本発明によれば、発熱体からの熱を従来よりも効率良く逃がすことができる。

本発明の実施の形態に係る排熱装置の構成例を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態に係る排熱装置の構成例を示す組立斜視図である。 本発明の実施の形態に係る第1のヒートシンク部材の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る排熱装置の使用例を説明する図である。 渦巻き状の空気流が形成される様子を示す模式図である。 フィンの端部の形状を説明する図である。 LEDバルブに排熱装置を装着し、LEDバルブを駆動したときの温度の測定結果をグラフ形式で示す図である。 本発明の他の実施の形態に係る排熱装置の構成例を示す分解斜視図である。 本発明の他の実施の形態に係る第1のヒートシンク部材の構成例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。

(排熱装置の構成)
図1は本発明の実施の形態に係る排熱装置の構成例を示す分解斜視図であり、図2は同組立斜視図である。
図示した排熱装置1は、大きくは、ヒートシンク2、ファン3およびカバー部材4を備えている。以下、各構成要素について説明する。なお、ここでは説明の便宜上、ヒートシンク2の中心軸方向において、図示しない発熱体に近い側を前側、発熱体から遠い側を後ろ側とする。また、ヒートシンク2の中心軸に直交する方向(図例では径方向)において、ヒートシンク2の中心軸に近い側(図例では径が縮小する側)を内側、ヒートシンク2の中心軸から遠い側(図例では径が拡大する側)を外側とする。

(ヒートシンクの構成)
ヒートシンク2は、図示しない発熱体で発生した熱を外部に逃がすものである。ヒートシンク2は、主として、第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6とによって構成されている。第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6は、互いに組み付けて固定されることにより、一つのヒートシンク2を構成する。

(第1のヒートシンク部材の構成)
第1のヒートシンク部材5は、図示しない発熱体に熱的に接続されるものである。第1のヒートシンク部材5は、熱伝導性を有する材料、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの金属材料を用いて形成されている。その場合、第1のヒートシンク部材5は、たとえばアルミダイキャスト又は切削加工により作製可能である。ただし、ヒートシンクの構成材料としては、金属材料に限らず、たとえば、樹脂等で構成することも可能である。第1のヒートシンク部材5は、図3にも示すように、前板部7と、複数のフィン8と、円筒部9と、を一体に有している。

前板部7は、図示しない発熱体で発生する熱を吸い取るために、発熱体に対して熱的に接続可能に形成されている。ここで記述する「熱的に接続」とは、接続の対象となる2つの部分の間で一方から他方に熱の移動が可能な状態で、それら2つの部分を接続することをいう。典型的な例としては、2つの部分を面接触または線接触させた状態で接続することをいう。前板部7は、適度な厚みを有する円板状に形成されている。

複数のフィン8は、ヒートシンク2の表面積を大きくして放熱効果を高めるとともに、ヒートシンク2の内部に放熱(冷却)のための複数の通気路10を形成するものである。複数のフィン8は、前板部7の片面に、それぞれ弓形をなして全体的に放射状に形成されている。各々のフィン8は、それぞれ弓形に湾曲した薄い板状に形成されている。各々のフィン8は、前板部7の片面から垂直に起立した状態で形成されている。複数のフィン8は、前板部7の半径方向において、円筒部9よりも外側の領域に配置されている。各々のフィン8の外側の端部は、前板部7の外周縁の位置に配置されている。各々のフィン8の内側の端部は、前板部7の中心から半径方向に所定の寸法だけ離れた位置に配置されている。

また、各々のフィン8は、前板部7の中心を基準とした円周方向において、等しい角度ピッチ(図例では20度ピッチ)で形成されている。円周方向で隣り合う2つのフィン8の間には、1つの通気路10が形成される。このため、通気路10は、フィン8と同じ数だけ形成されることになる。通気路10は、フィン8の弓形形状に沿って放射状に形成されている。また、各々の通気路10は、外側から内側に向かって空気が流れることを想定して形成されている。このため、通気路10の最上流部は、外側の端部となり、通気路10の最下流部は、内側の端部となる。

このような通気路10を形成する、相対向する2つのフィン8の間の空間(隙間)は、各々のフィン8の弓形形状に沿って前板部7の外側から内側(中心)に向かうにしたがって狭くなっている。つまり、複数のフィン8は、各々の通気路10の断面積(空気の流れに交差する方向の断面積)が外側から内側に向かって徐々に小さくなるように形成されている。各々の通気路10の下流側において、各々の通気路10を形成するフィン8の端部は、円筒部9の外周面に接する仮想直線(図3に二点鎖線で示す)に沿う向きで配置されている。

円筒部9は、図示しない発熱体にヒートシンク2を取り付けるための部分である。円筒部9は、前板部7の片面に、複数のフィン8とともに一体に形成されている。円筒部9は、前板部7の中心部に、前板部7と同心状に形成されている。円筒部9の内側には貫通孔11が形成されている。円筒部9は、前板部7の片面からフィン8と同じ方向に突出した状態で形成されている。ただし、フィン8と円筒部9の突出寸法は互いに異なっている。具体的には、前板部7の厚み方向において、前板部7の片面を基準とした円筒部9の突出寸法は、複数のフィン8の突出寸法よりも小さく設定されている。また、円筒部9の外周側には環状の溝空間12が形成されている。複数のフィン8は、円筒部9との間に溝空間12を介在させた状態で、円筒部9の外周側に配置されている。また、円筒部9の内周面には図示しない雌ネジが形成されている。

(第2のヒートシンク部材の構成)
第2のヒートシンク部材6は、前述したとおり第1のヒートシンク部材5と組み合わさって一つのヒートシンク2を構成するものである。その場合、ヒートシンク2は全体的に円筒状に形成される。第2のヒートシンク部材6は、第1のヒートシンク部材5と同じ材料を用いて形成されている。その場合、第2のヒートシンク部材6は、たとえばアルミダイキャスト又は切削加工により作製可能である。第2のヒートシンク部材6は、たとえば圧入、ネジ等を用いて第1のヒートシンク部材5と結合した場合に、ヒートシンク2の内部に複数のフィン8と円筒部9を収容する空間を形成する。第2のヒートシンク部材6は、後板部15と、周壁部16と、を一体に有している。

後板部15は、複数のフィン8によって形成される各々の通気路10の片側(前板部7と反対側)を閉じることにより、通気路10における空気の流れをフィン8の弓形形状に沿う方向に規制するものである。後板部15は、適度な厚みを有する円板状に形成されている。後板部15は、第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6とを結合した場合に、複数のフィン8を間に挟んで前板部7と対向する状態に配置される。このため、複数のフィン8は、ヒートシンク2の中心軸方向において、前板部7と後板部15により挟み込まれた状態になる。また、複数のフィン8は、ヒートシンク2の中心軸方向から見て後板部15により遮蔽された状態になる。

後板部15の中心部には吸気口17が形成されている。吸気口17は、ヒートシンク2内の空気を吸い込むために形成されたものである。吸気口17は、第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6とを結合した場合に、円筒部9とともにヒートシンク2の中心軸と同軸に配置される。また、吸気口17は、ヒートシンク2の中心軸方向から見たときに、少なくとも円筒部9と溝空間12を露出する状態に配置される。その場合、各々のフィン8の内側の一部が吸気口17を通して見えてもよい。吸気口17の開口径は、好ましくは、複数のフィン8の内側の端部をつなぐ仮想円の直径以下で、かつ、上述した円筒部9の外径以上の寸法範囲に設定される。

周壁部16は、複数のフィン8を機械的に保護するとともに、複数のフィン8により形成される各々の通気路10への空気の取り込みを許容するものである。周壁部16は、全体的に円筒状に形成されている。周壁部16は、後板部15の外周縁から、後板部15の厚み方向に突出する状態で形成されている。周壁部16は、第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6とを結合した場合に、複数のフィン8の外側を取り囲む状態に配置される。周壁部16には複数の空気取込口18が形成されている。各々の空気取込口18は、ヒートシンク2の中心軸方向を長軸方向とした長孔形状(略楕円形状)に形成されている。また、各々の空気取込口18は、上述した複数のフィン8によって形成される複数の通気路10と1対1の対応関係で形成されている。具体的には、第1のヒートシンク部材5と第2のヒートシンク部材6とを結合した場合に、一つの通気路10の最上流部に1つの空気取込口18が開口するように配置される。

(ファンの構成)
ファン3は、後板部15の吸気口17を通してヒートシンク2側から空気を吸い込むとともに、吸い込んだ空気をヒートシンク2とは反対側に吐き出すものである。ファン3は、好ましくは、小型の軸流ファンを用いて構成される。その場合、軸流ファンの回転軸は、ヒートシンク2の中心軸と同軸に配置される。ファン3は、たとえば図示しない取付ネジを用いてヒートシンク2(第2のヒートシンク部材6)に固定状態で取り付けられる。その場合の具体的な態様として、たとえば次のような態様をとることができる。すなわち、ファン3のハウジング部分とカバー部材4にそれぞれ位置をあわせて複数の貫通孔を形成する。また、複数の貫通孔の孔位置にあわせて第2のヒートシンク部材6の後板部15に複数のネジ孔を形成する。そして、各々のネジ孔にファン3およびカバー部材4の各貫通孔を通して取付ネジを装着する。これにより、第2のヒートシンク部材6とファン3とカバー部材4が、複数の取付ネジを用いて一体的に固定された状態になる。

(カバー部材の構成)
カバー部材4は、上述のようにファン3を取り付けた状態のヒートシンク2に対して、ファン3を覆う状態でヒートシンク2に取り付けられる。カバー部材4は、第1のヒートシンク部材5と同じ材料を用いて形成されている。その場合、カバー部材4は、アルミダイキャスト又は切削加工により作製可能である。カバー部材4は、たとえば、後板部15に形成された段付き部15aに圧入される。この圧入部分では、第2のヒートシンク部材6に対してカバー部材4が面接触した状態となる。このため、第2のヒートシンク部材6からカバー部材4に熱を逃がすことができる。カバー部材4には排気口19が形成されている。排気口19は、ヒートシンク2にカバー部材4を取り付けた場合に、後板部15の吸気口17と同軸上に配置される。排気口19は、ファン3によって吐き出される空気を外部に放出させるのに十分な大きさに形成されている。本実施の形態においては、好ましい一つの形態例として、ファン3の口径と同じ口径で吸気口17および排気口19の各口径を設定している。

(排熱装置の使用例)
図4は本発明の実施の形態に係る排熱装置の使用例について説明する。ここでは一例として、前照灯に用いられるLEDバルブ30を発熱体とし、このLEDバルブ30に排熱装置1のヒートシンク2を取り付けて使用する場合を示している。

LEDバルブ30は、たとえば、四輪車や二輪車等の自動車車両、鉄道車両、航空機、船舶、その他の輸送機械における前照灯に用いることを想定したライトバルブである。LEDバルブ30としては、たとえば、出願人が開示した先行技術文献(特開2011−210695号公報、特開2011−210706号公報、特開2012−169100号公報)に記載されたものを使用可能である。もちろん、この先行技術文献で開示したLEDバルブ以外のLEDバルブに排熱装置1を使用することも可能である。

LEDバルブ30は、ハロゲンバルブのフィラメントに代わる発光体として図示しないLED発光体素子(パワーLED)を用い、このLED発光体素子から出射された光を、独創的な形状を有する反射部材31の反射面で反射させることにより、疑似光源を形成するものである。LEDバルブ30の詳細な構造については、上記先行技術文献に記載されているため、ここでは説明を省略する。ただし、上記先行技術文献で開示した内容は、本明細書に記載されているものと擬制し、当該内容のすべて又は一部を必要に応じて本明細書に追加したり、当該内容に基づいて本明細書の記載内容を修正したりしても、新規事項の追加には該当しないものとする。

LEDバルブ30は、上述した反射部材31のほかに、バルブ本体32と、複数本の支柱33と、口金部34と、放熱部材35と、を有している。LED発光体素子は、反射部材31と対向するバルブ本体32の上面に配置されている。反射部材31は、円錐形に形成されている。反射部材31の頂部は、バルブ本体32の上面と対向する状態に配置されている。反射部材31は、複数の支柱33によってバルブ本体32に連結されている。バルブ本体32は、熱伝導性を有する材料によって、たとえば円筒状に形成されている。LED発光体素子の実装基板は、バルブ本体32の円筒一端面に配置されている。また、バルブ本体32の円筒他端には雄ネジ36が形成されている。この雄ネジ36は、ヒートシンク2の第1のヒートシンク部材5の円筒部9内面に形成されている雌ネジ(不図示)と組み合うものである。口金部34は、LEDバルブ30を前照灯のソケット部(不図示)に装着するためのものである。放熱部材35は、反射部材31と熱的かつ機械的に接続されている。放熱部材35は、LED発光体素子からの光を反射部材31に照射したときに発生する熱を逃がすためのものである。

上記構成からなるLEDバルブ30に排熱装置1を取り付ける場合は、バルブ本体32の雄ネジ36とヒートシンク2側の雌ネジを位置合わせした状態で、それらのネジ同士を組み合わせる。具体的には、バルブ本体32の雄ネジ36を第1のヒートシンク部材5の円筒部9に差し込むようにして、たとえばLEDバルブ30を固定したまま排熱装置1を回転させる。そうすると、バルブ本体32に前板部7が面接触で密着した状態となり、その状態でLEDバルブ30と排熱装置1(ヒートシンク2)がネジ締結により固定される。また、円筒状をなすバルブ本体32の中空部は、第1のヒートシンク部材5の円筒部9を通してヒートシンク2内の空間とつながった状態となる。
なお、LEDバルブ30とヒートシンク2を連結する構造は、雄ネジ36と雌ネジの組み合わせによるネジ締結構造に限らず、これ以外の連結構造を採用してもよい。また、ネジ締結構造を採用する場合は、ネジ同士の接触面積を広く確保して熱伝達効率を高めるために、ネジのピッチを狭くしたほうが好ましい。

(動作説明)
続いて、本発明の実施の形態に係る排熱装置1の動作について説明する。ここでは、上記の使用例において排熱装置1を動作させる場合を説明する。
まず、ファン3に電力を供給することにより、ファン3を回転させる。そうすると、ファン3の回転により、ヒートシンク2内の空気が吸気口17を通して吸い込まれる。また、ヒートシンク2の外側からは、周壁部16に形成された複数の空気取込口18を通して、各々の通気路10に空気が取り込まれる。こうして取り込まれた空気は、ヒートシンク2内を流れた後、後板部15の吸気口17を通してファン3に引き込まれ、カバー部材4の排気口19から外部に排出される。

その際、ヒートシンク2の外側から各々の通気路10に取り込まれた空気は、フィン8の弓形形状に沿うように通気路10を外側から内側に向かって流れる。このとき、各々の通気路10の断面積が外側から内側に向かって徐々に小さくなっているため、ベンチュリー効果が生じる。このため、通気路10を流れる空気の流速はベンチュリー効果によって増加する。

また、各々の通気路10を流れた空気は、通気路10の最下流部から溝空間12に到達し、そこで合流する。このとき、複数の通気路10は、各々の通気路10を形成している複数のフィン8と同様に放射状に形成されている。このため、各々の通気路10を流れ出た空気は、一様な方向にねじれた状態で合流する。したがって、各々の通気路10を流れた空気を溝空間12で合流させると、ヒートシンク2の内部には、前板部7から後板部15に向かって渦巻き状の空気流が形成される(図5を参照)。この空気流は、複数のフィン8の弓形形状に沿う方向で渦を巻くことになるため、この渦巻きの方向と同じ方向にファン3を回転させれば、より強力な空気流を形成することができる。また、通気路10の出口部分でベンチュリー効果により空気の流速が増加すると、その空気が流れ出る溝空間12に負圧が生じる。そうすると、その隣の通気路10を流れる空気が、負圧に引っ張られるかたちで溝空間12に流れ出る。このため、通気路10から溝空間12に流れ出る空気は、単にベンチュリー効果によって流速が増すだけでなく、ベンチュリー効果の副次的効果である負圧の作用によっても流速が増すことになる。こうした現象は、溝空間12の全周にわたって起こる。このため、渦巻き状の空気流を、より大きな流速で形成することができる。また、各々のフィン8の内側の端部を、図6に示すように斜めに(円筒部9と同心円の円周に沿って)面取りしたような形状とすれば、溝空間12に上記の負圧が生じたときに、この負圧に引っ張られて隣の通気路10からスムーズに空気が流れ込むようになり、より好適なものとなる。
なお、各々の通気路10から流れ出た空気流は、合流した直後は渦巻き状にねじれた状態でヒートシンク2の中心軸方向(吸気口17に向かう方向)に進む。ただし、ファン3から吐き出される段階では、空気流のねじれがほぼ解消された状態になる。

(実施の形態の効果)
上述のようにファン3の回転によってヒートシンク2内の各通気路10に空気を流し、そこから流れ出た空気を合流させて渦巻き状の空気流を形成することにより、発熱体となるLEDバルブ30で発生した熱を効率良く逃がすことができる。以下、理由を述べる。

LEDバルブ30で発生した熱の多くは、バルブ本体32を通して第1のヒートシンク部材5に伝達される。その際、第1のヒートシンク部材5においては、前板部7の片面に形成された複数のフィン8により、放熱のための表面積が広く確保される。また、各々の通気路10を空気が流れることにより、ヒートシンク2全体が効率良く冷却(空冷)される。さらに、各々の通気路10を流れた空気を合流させて渦巻き状の空気を形成することにより、LEDバルブ30側の熱が渦巻き状の空気流によって強制的に吸い取られる。

また、LEDバルブ30にヒートシンク2を取り付ける場合は、第1のヒートシンク部材5の円筒部9にバルブ本体32の雄ネジ36の部分を挿入する。このため、雄ネジ36が挿入された部分では、ヒートシンク2内の温度が相対的に高くなる。これに対して、渦巻き状の空気流は、各々の通気路10を流れた空気を溝空間12で合流させることにより、円筒部9の近傍にこれと同心状に形成される。また、その場合は、渦巻き状の空気流の最上流部が円筒部9の直近に位置する状態となる。この状態においては、渦巻き状の空気流のうち、相対的に流速が速い空気流が円筒部9に直接的に作用する。したがって、バルブ本体32から円筒部9に伝わる熱を、渦巻き状の空気流によって直接的に吸い取ることができる。
以上により、LEDバルブ30で発生した熱を効率良く逃がすことができる。その結果、LEDバルブ30の発熱に伴う温度上昇を有効に抑制することが可能となる。

さらに、ヒートシンク2の構成上、複数のフィン8は、各々の通気路10の断面積が外側から内側に向かって徐々に小さくなるように形成されている。このため、各々の通気路10を空気が流れるときに、この空気の流速がベンチュリー効果によって増加する。このため、ヒートシンク2の内部に、より強力な渦巻き状の空気流を形成することができる。したがって、LEDバルブ30で発生した熱を一層効率良く逃がすことができる。

図7はLEDバルブに排熱装置を装着し、LEDバルブを駆動したときの温度の測定結果をグラフ形式で示す図であって、縦軸に温度、横軸に時間をとっている。
図中のTH2はLED発光体素子の実装基板温度、TH3はバルブ本体32の温度、TH4はヒートシンク2の温度を、それぞれ示している。
この温度測定においては、LEDバルブ30の駆動(点灯)を開始してから15分が経過するまでは排熱装置1のファン3を停止させたままとし、15分が経過した段階でファン3を回転させた。

図から分かるように、排熱装置1のファン3を停止させた状態では、LEDバルブ30の駆動を開始するのに伴って各部の温度が急上昇している。ただし、ファン3の回転を開始すると、各部の温度が上昇傾向から下降傾向に転じている。そして、LEDバルブ30の駆動を開始してから10分ほど経過すると、それ以降は各部の温度がそれぞれ安定的に推移している。具体的には、LED発光体素子の実装基板温度TH2は約48℃、バルブ本体32の温度TH3は約46℃、ヒートシンク2の温度TH4は約38℃で、それぞれ安定的に推移している。
この結果をみても、LEDバルブ30の発熱に伴う温度上昇が有効に抑制されていることが容易に理解できる。

また、上記実施の形態においては、複数のフィン8を前板部7の片面に一体に形成している。これにより、前板部7をLEDバルブ30に熱的に接続したときに、複数のフィン8を含めて前板部7全体の表面積(放熱面積)を増加させ、かつ前板部7と複数のフィン8との間の熱伝達効率を高めることができる。

また、各々の通気路10の下流側において、各々の通気路10を形成するフィン8の端部を、円筒部9の外周面に接する仮想直線に沿う向きで配置している。これにより、各々の通気路10を流れた空気は、環状の溝空間12において、円筒部9の外周面に沿う方向に向きを揃えた状態で合流する。このため、各々の通気路10から流れ出た空気の勢いをそのまま活かして渦巻き状の空気流を形成することができる。

また、複数のフィン8の外側を周壁部16で取り囲むとともに、それらのフィン8の配置に対応して周壁部16に複数の空気取込口18を形成している。これにより、各々の通気路10に対して空気の取り込み経路を確保したうえで、構造的に強度が弱いフィン8を周壁部16によって機械的に保護することができる。

また、発熱体となるLEDバルブ30のバルブ本体32に雄ネジ36を形成し、これに対応して第1のヒートシンク部材5の円筒部9に雌ネジを形成することにより、LEDバルブ30に対してヒートシンク2を取り付け可能にしている。このようなネジ締結による取り付け構造を採用することにより、LEDバルブ30に対してヒートシンク2を着脱自在とし、かつ、LEDバルブ30で発生する熱を効率良くヒートシンク2に伝えて放熱することができる。

また、排熱装置1の構成として、ヒートシンク2とファン3を一体に備える、いわゆるビルトイン構造を採用している。これにより、別途、吸気のための手段を用意する必要がなく、簡単な配線作業だけで排熱装置1を動作させることができる。また、排熱装置1全体の小型化にも貢献することができる。

(他の実施の形態)
図8は本発明の他の実施の形態に係る排熱装置の構成例を示す分解斜視図である。
図示した排熱装置1においては、先述した実施の形態と比較して、ヒートシンク2の構成が異なる。具体的には、第1のヒートシンク部材5において、複数のフィン8と円筒部9の構造が、以下のように異なっている。

先述した実施の形態においては、複数のフィン8と円筒部9が、環状の溝空間12を介して構造的に分離している。これに対して、他の実施の形態においては、図9にも示すように、環状の溝空間12が存在せず、複数のフィン8と円筒部9が構造的につながっている。すなわち、各々のフィン8は円筒部9の外周面から放射状に延びている。また、先述した実施の形態においては、前板部7の片面を基準とした円筒部9の突出寸法が、複数のフィン8の突出寸法よりも小さく設定されているが、他の実施の形態においては、それらの突出寸法が互いに同じ寸法に設定されている。

このような構成を採用した場合は、各々のフィン8の内側の端部を円筒部9に一体に接続したことにより、各々のフィン8が円筒部9によって支持される。このため、フィン8の機械的な強度を高めることができる。また、上述した溝空間12をなくして、円筒部9の外周面までフィン8を延在させているため、ヒートシンク2(第1のヒートシンク部材5)の熱容量や表面積を増やすことができる。また、ファン3を回転させた場合は、先述した実施の形態と同様に、ヒートシンク2の外側から空気取込口18を通して通気路10に空気を取り込むとともに、取り込んだ空気を円筒部9の近傍で合流させることにより、渦巻き状の空気流を形成することができる。このため、LEDバルブ30で発生した熱を効率良く逃がすことができる。

ただし、放熱性という点で比較すると、先述した実施の形態のほうが優れている。その理由は、各々の通気路10に取り込まれた空気の流れ方の違いにある。すなわち、他の実施の形態の構成を採用した場合は、各々の通気路10の最下流部が円筒部9の外周面によって閉じられ、そこで通気路10が行き止まりとなる。このため、通気路10を空気が通りにくくなる。また、通気路10を流れた空気を合流させるときに、空気の流れに乱れが生じやすくなる。

これに対して、先述した実施の形態の構成を採用した場合は、各々の通気路10の最下流部が溝空間12の介在によって開放される。このため、通気路10を空気が通り抜けやすくなる。また、通気路10を流れた空気を合流させるときに、空気の流れに乱れが生じにくくなる。したがって、各々の通気路10を流れた空気を合流させたときに、より大きな流速で渦巻き状の空気流を形成することができる。これにより、渦巻き状の空気流によって排出される熱量が増加する。また、各々の通気路10をよりスムーズに空気が流れるため、フィン8の表面から放出される熱量も増加する。その結果、溝空間12の形成によってヒートシンク2の熱容量や表面積を小さくしたにもかかわらず、溝空間12を形成しない場合よりも高い放熱性を実現することが可能となる。

本発明者は、第1のヒートシンク部材5に溝空間12を形成した場合と形成しない場合で、空気の流速と放熱効果にどのような違いが生じるかをシミュレーションで確認してみた。そうしたところ、溝空間12の有無にかかわらず、渦巻き状の空気流は形成されるものの、この空気流の流速は溝空間12を形成した場合のほうが速かった。また、放熱効果の点でも、溝空間12を形成した場合のほうが、温度の上昇が低く抑えられ、特に、発熱体に近い第1のヒートシンク部材5の温度上昇が顕著に抑えられていた。

(変形例等)
本発明の技術的範囲は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の構成要件やその組み合わせによって得られる特定の効果を導き出せる範囲において、種々の変更や改良を加えた形態も含む。

たとえば、ヒートシンク2が備える複数のフィン8の個数や寸法等は適宜変更が可能である。また、個々のフィン8は、均一な厚さで形成してもよいし、連続的に厚さを変えて形成してもよい。また、複数のフィン8を前板部7ではなく後板部15に一体に形成することも可能である。

前板部7と後板部15は、それぞれ円板状でなくてもよく、たとえば、四角形またはそれ以外の多角形の板状としてもよい。また、前板部7と後板部15は、必ずしも同じ形状でなくてもよい。

通気路10と空気取込口18の対応関係は、必ずしも1対1の対応関係でなくてもよい。たとえば、一つの通気路10に対して複数の空気取込口18を形成してもよいし、複数の通気路10に跨るように1つの空気取込口18を形成してもよい。ただし、空気取込口18を通して通気路10に取り込まれる空気の流速や流量をヒートシンク2全体で均一化するうえでは、通気路10と空気取込口18の対応関係を1対1または1対n(nは2以上の整数)とするのが好ましい。

排熱装置1には、所望の吸い込み力が得られるようであれば、軸流ファン以外のファンを用いてもかまわない。

ファン3の代替として、たとえば、ヒートシンク2の吸気口17にホース(不図示)を接続し、このホースを通してヒートシンク2内の空気を吸気する構成としてもよい。

カバー部材4は、排熱装置1の構成として必須ではなく、必要に応じて設けるようにすればよい。

本発明において、放熱(冷却)の対象となる発熱体は、LEDバルブに限らない。たとえば、本発明は、前照灯以外のLED照明機器や、CPU(中央演算処理装置)、メモリなどの電子デバイスなど、発熱体の放熱用として広く適用することが可能である。

また、本発明は、排熱装置1やこれに用いられるヒートシンク2として実現するだけでなく、たとえば、排熱装置1とLEDバルブ30を組み合わせた「排熱装置付きのLEDバルブ」や、ヒートシンク2とLEDバルブ30を組み合わせた「ヒートシンク付きのLEDバルブ」として実現してもよい。

1…排熱装置
2…ヒートシンク
3…ファン
5…第1のヒートシンク部材
6…第2のヒートシンク部材
7…前板部
8…フィン
9…円筒部
10…通気路
12…溝空間
15…後板部
16…周壁部
17…吸気口
18…空気取込口
30…LEDバルブ
32…バルブ本体

Claims (10)

  1. それぞれ弓形をなして全体的に放射状に形成された複数のフィンと、
    前記複数のフィンを間に挟んで対向する状態に配置された前板部および後板部と、
    を備えるヒートシンクであって、
    前記前板部は、発熱体に対して熱的に接続可能に形成され、
    前記後板部には、吸気口が形成され、
    前記複数のフィンは、互いに隣り合う2つのフィンの間に通気路を形成し、
    前記吸気口を通して吸気した場合に、前記複数のフィンの外側から各々の通気路に空気を取り込むとともに、各々の通気路を流れた空気を合流させることにより、当該合流させた空気がヒートシンクの中心軸方向に渦巻き状の空気流を形成する
    ことを特徴とするヒートシンク。
  2. 前記複数のフィンは、前記各々の通気路の断面積が外側から内側に向かって徐々に小さくなるように形成され、
    前記吸気口を通して吸気した場合に、前記各々の通気路を流れる空気の流速をベンチュリー効果によって増加させる
    ことを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク。
  3. 前記複数のフィンは、前記前板部の片面に一体に形成されている
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のヒートシンク。
  4. 前記前板部の片面には、前記発熱体にヒートシンクを取り付けるための円筒部が、前記複数のフィンとともに一体に形成され、
    前記複数のフィンは、前記円筒部の外周側に環状の溝空間を介在させた状態で形成されている
    ことを特徴とする請求項3に記載のヒートシンク。
  5. 前記各々の通気路の下流側において、前記各々の通気路を形成する前記フィンの端部が、前記円筒部の外周面に接する仮想直線に沿う向きで配置されている
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のヒートシンク。
  6. 前記複数のフィンの外側を取り囲む周壁部を有し、
    前記周壁部には前記複数のフィンの配置に対応して複数の空気取込口が形成されている
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のヒートシンク。
  7. 前記前板部の厚み方向において、前記前板部の片面を基準とした前記円筒部の突出寸法が前記複数のフィンの突出寸法よりも小さく設定されている
    ことを特徴とする請求項4に記載のヒートシンク。
  8. 前記発熱体には、雄ネジが形成され、
    前記前板部の円筒部には、前記雄ネジと組み合う雌ネジが形成されている
    ことを特徴とする請求項4または7に記載のヒートシンク。
  9. 前記発熱体は、前照灯に用いられるLEDバルブである
    ことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のヒートシンク。
  10. 請求項1〜9のいずれかに記載のヒートシンクと、
    前記吸気口を通して前記ヒートシンク側から空気を吸い込むファンと、
    を一体に備えることを特徴とする排熱装置。
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