JP5594830B2 - Ｌｅｄ照明装置の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＤ照明装置の冷却装置に関するものである。

いわゆるＬＥＤは、その消費電力が少ないことから、次世代の照明光として近年にわかに脚光を浴び、注目されており、照明器具の光源としての採用が急激に広まっている。
ここで、ＬＥＤは一般に、その接合部の温度、いわゆるジャンクション温度は、約１５０℃が限界とされている。すなわち、この１５０℃という温度を越すとＬＥＤは破壊されてしまうと言われている。
さらに、ＬＥＤの寿命は、前記ジャンクション温度によって左右されることが明らかにされている。例えば、ジャンクション温度１２７℃で寿命が６０，０００時間であるとされるＬＥＤの場合、１３７℃になるとその寿命は２５，０００時間となり、ジャンクション温度が高くなるほど寿命が短くなることが確認されている。
また、ＬＥＤの効率は温度が高くなるほど低下し、その度合いは、-０．２４％/℃であると言われている。

このことから、ＬＥＤのジャンクション温度の上昇を抑えることは、ＬＥＤの寿命と効率の面できわめて有利となることがわかる。
しかして、このジャンクション温度の上昇を抑えるため、従来より一般的には、ＬＥＤ基板の裏側にヒートシンクを設けるタイプの冷却装置が知られている。
すなわち、一般的に、ヒートシンクはアルミニウム金属体で形成され、また、これをフィン構造にして放熱面積を多く稼ぐ方法が採用されているのである。
しかし、充分な放熱能力を得ようとすると、ヒートシンクが大きくかつ重くせざるを得なくなり、もってＬＥＤ照明器具自体の大型化と重量増加を招来してしまうという課題があった。

特開２００９−２８９６５３号公報

かくして、本発明は、前記従来からの課題に鑑み、小型軽量でかつ充分な放熱能力を有する放熱装置を実現するために創案されたものであり、本発明によるＬＥＤ照明器具の冷却装置によれば、従来でのＬＥＤ照明器具の冷却装置（ヒートシンク）の40％の大きさであっても、充分な放熱能力を得ることが可能となり、もってＬＥＤ照明器具の寿命を長寿命化し、また高効率化しうるＬＥＤ照明器具の冷却装置を提供することを目的とするものである。

かくして本発明は、
略方形体状をなし、熱伝導性を有する金属部材で形成されたＬＥＤ照明器具の冷却装置であり、
ＬＥＤを実装した基板が添設される基板添設面を下面に有し、当該下面近傍位置の四側面位置からは、内側に向かい前記下面と略平行にして設けられた第１通気路と、該第１通気路の後端から連通して上面方向に延び、該上面に開口する通気開口が形成された第２通気路とを備えた通気口が、前記略方形体状をなす冷却装置の四側面において、該四側面を水平方向に周回するように、かつ水平方向に略直線上に並ぶよう間隔をあけて配置されて複数個設けられ、
前記略方形体状をなす冷却装置の下面以外の平坦面である上面及び四側面の表面部には、それぞれ放熱用溝条が波状をなして連続的に形成され、前記放熱用溝条の形状は、該放熱用溝条から放射される輻射エネルギーが再度冷却装置に入射しない形状となる断面略半円状をなす凹状の形状とされた、
ことを特徴とし、
または、
前記略方形体状をなす冷却装置の内部には、空間部が形成され、該空間部には、カーボンフィラーが含有された熱伝導性樹脂が封入された、
ことを特徴とし、
または、
前記熱伝導性樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂である、
ことを特徴とするものである。

本発明によるＬＥＤ照明装置の冷却装置によれば、
小型軽量でかつ充分な放熱能力を有する放熱装置を実現でき、かつ従来でのＬＥＤ照明器具の冷却装置（ヒートシンク）の４０％の大きさであっても、充分な放熱能力を得ることができ、もってＬＥＤ照明器具の寿命を長寿命化し、またＬＥＤ照明器具の効率を高効率化しうるとの優れた効果を奏する。

本発明の第１実施例を説明する説明図である。 本発明の第２実施例を説明する説明図である。 本発明の第３実施例を説明する説明図である。 輻射エネルギーの方向を説明する説明図(その１)である。 輻射エネルギーの方向を説明する説明図(その２)である。 放熱効果を説明する説明図である。

以下本発明を図に基づいて説明する。
図1は、本発明によるＬＥＤ照明器具の冷却装置１の概略断面図であり、該冷却装置１は、略方形体状、本実施例では略長方体状をなして形成され、熱伝導性を有する金属部材、例えばアルミニウム部材で構成されている。
ここで、符号２はＬＥＤを示し、該ＬＥＤ２は実装基板３に実装されている。
そして、前記冷却装置１の下面はフラットな面の基板添設面４として構成され、該基板添設面４に前記ＬＥＤ２を実装した実装基板３が添設されて取り付けられる。

次に、この基板添設面４の近傍位置、すなわち若干前記基板添設面４の上方の位置となる側面５の位置からは、冷却装置１の内側方向に向かい、前記基板添設面４と略平行に延出して設けられた第1通気路６が設けられている。
そして、該第１通気路６の後端からは、この第１通気路６に連通して上面方向に延び、該上面７に開口する通気開口８が形成された第2通気路９が設けられた通気口１０が形成されている。
そして、この通気口１０は、例えば図３から理解されるように、前記略方形体状をなす冷却装置１の四つの側面５・・・を周回するようにして、かつ略直線上に並ぶように配置されて複数個前記四側面５・・・に設けられている。
ここで、ＬＥＤ２に通電すると、ＬＥＤ２が発光するとともに、ＬＥＤ２の実装基板３などの温度が上昇していく。その温度は冷却装置１に伝わり、冷却装置１の温度が上昇する。そして、冷却装置１の温度が上昇すると、複数個形成された前記通気口１０・・・の内部の温度も上昇し、通気口１０の内部に上昇する気流が発生する。
すると側面５にあけた複数個の通気口１０・・・から空気１５が吸い込まれ、上面７に形成された通気開口８から前記空気１５が放出される。このとき空気１５と一緒に熱も冷却装置１の外部に放出されるのである。よって効率よく放熱を行うことができる。
尚、通気口１０の形成は、冷却装置１の側面５から上面７に通じていれば良く、その経路、形状は全く問わないものとする。さらに、図1では第1通気路６と第2通気路9とはその接続部が略直角に折曲して形成されているが、これに限定されるものではなく、なだらかなカーブをなして前記接続部を形成してもかまわないものである。

ここで、複数個の通気口１０・・・・を上記の構成のように設けた場合の当該冷却装置１の温度上昇に関するデータを図６に基づいて説明する。
図６は、ＬＥＤ２の消費電力を１９Ｗ、１５Ｗ、１０Ｗと変化させたときの、ＬＥＤ２の実装基板３の温度上昇の変化を示したものである。ここで、温度は熱電対によって測定した。そして、熱電対は、ＬＥＤ２にできるだけ近い点にネジ止めして計測したものである。
縦軸は、ＬＥＤ２の実装基板３の温度から周囲温度を差し引いた値である。
ＬＥＤ２に通電を開始するとともに、ＬＥＤ２の実装基板３の温度は上昇し始め、ある程度時間が経過した時点で平衡状態となる。この平衡状態のときのＬＥＤ２の実装基板３の温度と消費電力によって放熱能力が表現される。

例えば、消費電力が１９Ｗの場合、従来型の冷却装置、すなわち従来型のヒートシンクでは、ＬＥＤ２の実装基板３の温度上昇が８０℃に達するのに対し、本発明に係る冷却装置１、すなわち複数個の通気口１０が設けられたヒートシンクでは、温度上昇は約６０℃程度に抑えられていることがわかる。
ここで、一般に温度測定点とジャンクション温度の差は１０℃であることが知られている。
さらに要求される使用環境は、６０℃の暑さのまでのことを考慮する必要がある。
この条件下におけるＬＥＤジャンクション温度を推定すると、従来ヒートシンクでは、８０℃+１０℃+６０℃＝１５０℃となり、ＬＥＤの耐熱限界値である約１５０℃となっており、ＬＥＤ２は壊れてしまう可能性が高い。また壊れなくとも、ＬＥＤ２の寿命は極端に短いものとなる可能性が高い。

一方、本発明による複数個の通気口１０を設けた冷却装置１、すなわちヒートシンクを用いた場合のジャンクション温度を同様に推定すると、６０℃+１０℃+６０℃＝１３０℃となり、ＬＥＤ２の長寿命時間を確保することは可能となる。
なお、本発明はＬＥＤ２のみならず、電子機器や、その他照明器具においても有効な手段となることは言うまでもない。

次に、図３，図４は、略長方体状をなす冷却装置１の下面以外の面である上面７及び四つの側面５・・・・の表面部に、それぞれ断面略半円状の放熱用溝条１１を波状にして連続的に形成したものである。
例えば、前記断面略半円状の放熱用溝条１１の半径を１．５ｍｍとし、３．５ｍｍピッチで形成するものとする。

このように断面略半円状の放熱用溝条１１とすることにより、図４の矢印で示すように、輻射エネルギー１４が再び冷却装置１，すなわちヒートシンクに入射することを防いでいる。これは以下のメカニズムによると考えられる。

輻射エネルギー１４は、温度の４乗に比例して大きくなる。一方、温度は深いところほど高くなっているから輻射エネルギー１４は深いところほど大きくなる。
よって、丸い溝構造であれば、深いところほど隣の壁との距離が遠くなるから、最も強い輻射エネルギー１４が隣の壁にあたりにくくなる。
また、輻射エネルギー１４は面に垂直な方向に最も強く放出されると考えられる。よって、断面略半円状の放熱用溝条１１とすることにより、輻射エネルギー１４の方向を冷却装置１、すなわちヒートシンクの外部へ向けることができ、冷却装置１の壁に当たりにくくすることができるのである。

当然のことであるが、断面略半円状の放熱用溝条１１の半径は問わないものとする。
ところで、逆に図５に示すように、冷却装置１，すなわちヒートシンクの表面を凸状の構造にした場合は、冷却効果は全く低くなる。
温度は深いところほど高くなっているから輻射エネルギー１４は深いところほど大きくなる。ところが表面が凸状であると隣の壁との距離が深いところほど近くなるから、最も強い輻射エネルギー１４が再度ヒートシンクに流入してしまうのである（図５参照）。
また、輻射エネルギー１４は面に垂直な方向に最も強く放出されると考えられるから、強い輻射エネルギー１４ほど横方向、即ち隣の壁に向かって放出されることになり、輻射エネルギー１４が再びヒートシンクに流入することになる。
特に輻射エネルギー１４を促進するような表面処理を行った場合、輻射エネルギー１４が大きいということは、外部からの輻射エネルギー１４も取り込みやすいということであるから、この効果はより顕著になるのである。

ここで、再び図６に基づいて説明する。
図４に示すように、略長方体状をなす冷却装置１の下面以外の面である上面７及び四つの側面５・・・・の表面部に、それぞれ断面略半円状の放熱用溝条１１を波状に連続的に形成した場合のジャンクション温度を推定すると、図６から理解されるように、７０℃+１０℃+６０℃＝１４０℃となり、ＬＥＤ２の長寿命時間をやはり確保することが可能となる。
さらに、通気口１０と断面略半円状の放熱用溝条１１を波状に連続的に形成した場合の双方の場合を取り入れた冷却装置１のジャンクション温度を推定すると、図６から理解されるように、５０℃+１０℃+６０℃＝１２０℃となり、きわめて効率よく冷却装置１の放熱作用を行うことができるものとなる。
次に、図２に示す実施例につき説明すると、図２の冷却装置１は、略方形体状をなす冷却装置の内部に、空間部１２を形成し、該空間部１２に、カーボンフィラーが含有された熱伝導性樹脂１３を封入して構成したものである。
アルミニウムの比重は２．７に対し、比重は１．２の熱伝導性樹脂１３を用いた。

熱伝導性樹脂１３は、熱可塑性の樹脂にカーボンフィラーを６５％含有させたものを採用した。なお、樹脂は、エポキシ系、シリコン系樹脂でもかまわない。

この構造を採用することにより、本発明の冷却装置１、すなわちアルミニウム部材で構成されたヒートシンクが例えば３０１ｇであったのに対し、２２４ｇと軽量化できる。

しかして、本発明にかかる熱伝導性樹脂１３の熱伝導率は２５Ｗ/ｍＫであり、アルミニウム部材の２００Ｗ/ｍＫには及ばないが、それでも冷却装置１であるヒートシンクの内部に充填しても放熱性能の劣化は全く見られなかった。

また、フィラーの含有量は高いほど熱伝導性が高くなり、４５％の含有量で１４Ｗ/ｍＫまで低下することがわかった。よって、フィラーの含有量は４５％以上が望ましいものである。なお、冷却装置１であるヒートシンク本体は、アルミニウム以外の金属でも同様の効果が得られるものである。

１ 冷却装置
２ ＬＥＤ
３ 実装基板
４ 基板添設面
５ 側面
６ 第１通気路
７ 上面
８ 通気開口
９ 第２通気路
１０ 通気口
１１ 放熱用溝条
１２ 空間部
１３ 熱伝導性樹脂
１４ 輻射エネルギー
１５ 空気

Claims (3)

1. 略方形体状をなし、熱伝導性を有する金属部材で形成されたＬＥＤ照明器具の冷却装置であり、
   ＬＥＤを実装した基板が添設される基板添設面を下面に有し、当該下面近傍位置の四側面位置からは、内側に向かい前記下面と略平行にして設けられた第１通気路と、該第１通気路の後端から連通して上面方向に延び、該上面に開口する通気開口が形成された第２通気路とを備えた通気口が、前記略方形体状をなす冷却装置の四側面において、該四側面を水平方向に周回するように、かつ水平方向に略直線上に並ぶよう間隔をあけて配置されて複数個設けられ、
   前記略方形体状をなす冷却装置の下面以外の平坦面である上面及び四側面の表面部には、それぞれ放熱用溝条が波状をなして連続的に形成され、前記放熱用溝条の形状は、該放熱用溝条から放射される輻射エネルギーが再度冷却装置に入射しない形状となる断面略半円状をなす凹状の形状とされた、
   ことを特徴とするＬＥＤ照明器具の冷却装置。
   
2. 前記略方形体状をなす冷却装置の内部には、空間部が形成され、該空間部には、カーボンフィラーが含有された熱伝導性樹脂が封入された、
   ことを特徴とする請求項１記載のＬＥＤ照明器具の冷却装置。
   
3. 前記熱伝導性樹脂は、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂である、
   ことを特徴とする請求項２記載のＬＥＤ照明器具の冷却装置。
   

Images