JP5820397B2 - マイクロチャンネル冷却型高熱負荷発光装置 - Google Patents

マイクロチャンネル冷却型高熱負荷発光装置 Download PDF

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Description

本発明の実施例は、大略、低熱抵抗基板上の発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものである。特に、本発明の実施例は、高輝度で、高放射照度で、高エネルギ密度を提供する高パワー密度で、高フィルファクタのマイクロチャンネル冷却型紫外線（ＵＶ）ＬＥＤランプヘッドモジュールに関するものである。
今日のＵＶＬＥＤは比較的非効率的なままである（典型的に、高電流密度において動作される場合に約１５％の効率で動作する）。これらの非効率性は、大量の廃熱を発生し、従って、半導体装置のＰＮ接合内における電気・光学変換プロセスの副産物である不所望の廃熱を除去するために、少なくとも空冷を必要とし、しばしば液体冷却（例えば、熱交換器及び／又は冷却器）を必要とする。その熱が非常に効果的で且つ効率的な態様で除去されない場合には、ＬＥＤ装置は効率の損失を蒙ることとなり、光出力が減少し、且つ壊滅的な損傷となる場合もある。
液体冷却型ＵＶＬＥＤランプ（又は光エンジン）は、現在、多様なキュアリング（curing）即ち硬化の適用例において使用されているが、既存のシステムは幾つかの制限を持っている。例えば、業界の文献は高輝度／高放射照度アレイが望ましいことを認めているが、現在入手可能なＵＶＬＥＤランプは、最適以下の性能を提供するものである。既存のＵＶＬＥＤランプは、通常、ＬＥＤアレイ内のＬＥＤを直列接続したＬＥＤの複数のストリングとし、更に、これらのストリングを共に並列に電気的に接続（しばしば、集積化した複数の抵抗と共に）させる傾向がある。この直列・並列方法に対する一つの欠点は、ヒートシンクが、通常、非導電性のものであることを必要とし、及び／又は、いずれもが伝統的に導電性回路トレースでパターン化されている該複数のＬＥＤの下側に誘電体層が存在することを必要とする、ということである。これらのトレースは高価であり、且つ関与する層の接触熱抵抗、及び／又は、該誘電体層のバルク熱抵抗、及び／又は、トレースの本来的に高い電気抵抗率のために、熱的に効率的な超高電流密度動作に適合するものではない。ヒートシンクも、しばしば、ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、又はアルミナ等の高価なセラミック物質のものである。直列・並列ＬＥＤアレイモデルに対する別の欠点は、１個のＬＥＤの単一の故障が直列接続されている複数のＬＥＤのストリング全体の故障となる場合があることである。任意の与えられたチェーンのＬＥＤにおける故障によって形成されるこの暗所区域は、通常、被加工物表面において光が光化学的に相互作用する箇所におけるプロセスに対して有害なものである。
従来のＵＶＬＥＤアレイの特定の例を図１Ａ及び１Ｂに例示してある。米国特許公開番号２０１０／００５２００２（以下、「Ｏｗｅｎ」）から取ったこの例においては、「密」であると主張されているＬＥＤアレイ１００が「高い光学的パワー密度」を必要とする目的の適用例に対して図示されている。そのアレイ１００は、基板１５２内にマイクロ反射器１５４を形成し且つ各マイクロ反射器１５４内にＬＥＤ１５６を装着することによって構成されている。ＬＥＤ１５６は、基板１５２上のワイヤボンドパッドへリード線１５８を介して電源（不図示）へ電気的に接続されている。マイクロ反射器１５４は、各々、関連するＬＥＤ１５６によって発生された光を反射させるための反射層１６２を包含している。特筆すべきことであるが、「密な」ＬＥＤアレイであるとして特徴付けられているにも拘わらずに、ＬＥＤアレイ１００は、実際には、非常に低いフィルファクタであり、輝度が低く、低いヒートフラックスのアレイであって、個々のＬＥＤ１５６はかなりの距離離されていて中心間距離は約８００ミクロンとなっている。それは、せいぜい、ＬＥＤアレイ１００の表面積の約１０乃至２０％の間をＬＥＤが占めているようであり、疑いなく５０％未満である。この様な低いフィルファクタのＬＥＤアレイは不均一な放射照度（irradiance）パターンを発生する場合があり、そのことは不均一な硬化及びエイリアシング（aliasing）やピクセル化（pixelation）等の視覚的に認知可能な異常となる場合がある。更に、マイクロ反射器１５４は、それらの低い角度範囲のために、実質的な量の光を捕獲し且つ制御するものではない。その結果、アレイ１００は低放射照度ビームを発生し、それは反射器１５４からの距離の関数として放射照度を迅速に失う。更に注意すべきことであるが、たとえ最適に構成された反射器であってもＬＥＤアレイ１００の低輝度を補うものではなく、その理由は、被加工物上へ究極的に投射された光ビームは決して光源（この場合には、ＬＥＤアレイ１００）よりも一層明るいものではないからである。このことは、良く知られている輝度保存法則に起因している。更に、Ｏｗｅｎは、又、それらの寸法及び各個別的なＬＥＤ１５６と関連する反射器を有することの知覚された必要性に起因して、マクロ反射器の使用に否定的である。
米国特許公開番号２０１０／００５２００２号公報
前述した制限はさておき、従来技術の冷却デザインにおいて使用されている比較的大型のチャンネル液体冷却技術は、平方ミリメートル当りの電流が約１．５Ａを超える場合に接合温度を適切に維持することに効果的であるような態様でＬＥＤからの廃熱を除去することが可能なものではない。
酸素阻害（oxygen inhibition）は、ＵＶ光によって誘起される化学的架橋結合と同等の割合で硬化される物質と反応する周囲の酸素と光開始剤（ＰｈＩ）相互作用との間の競争である。一層高い放射照度は、より迅速に完全な硬化を形成することが知られており、且つ一層高い放射照度は酸素阻害問題を少なくとも部分的に対処することが知られている。超高放射照度は、現在は、多分たとえ窒素カバーガス無しでも、或る処理形態においては、多分、酸素阻害問題を克服するものと考えられている。しかしながら、酸素阻害を克服するために超高放射照度を発生させるためには、この様な極めて高い電流密度で動作する高いフィルファクタのＬＥＤアレイ環境において接合温度を適切に低く維持するために必要とされるヒートフラックス除去率は、現在使用されているＵＶＬＥＤアレイアーキテクチャ及びＵＶＬＥＤアレイ冷却技術で簡単に達成可能なものではない。
物質の光化学的硬化及びその他の高輝度／高放射照度適用例に対して構成されたマイクロチャンネル冷却型硬化システム及びそのコンポーネントを記載する。１実施例によれば、ランプヘッドモジュールが、光学的マクロ反射器と、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイと、マイクロチャンネル冷却器組立体とを包含している。該光学的マクロ反射器は、外側表面を具備するウィンドウを包含している。該アレイは、該光学的反射器内に位置されており且つ高いフィルファクタと高いアスペクト比とを有している。該アレイは、該光学的反射器の該ウィンドウの外側表面から少なくとも１ｍｍ離れた被加工物表面において２５Ｗ／ｃｍ２よりも一層大きなピーク放射照度を有する高い放射照度出力ビームパターンを与えるべく動作可能である。該マイクロチャンネル冷却器組立体は、該アレイ内の複数のＬＥＤの夫々のＰＮ接合を８０℃以下の温度に実質的に等温状態に維持すべく動作可能である。該マイクロチャンネル冷却器組立体は、又、該アレイに対する共通アノード基板を提供する。該アレイを該マイクロチャンネル冷却器組立体に装着することによって、該アレイと該共通アノード基板との間に熱的に効率的な電気的接続が形成される。
上述した実施例において、該アレイは該マイクロチャンネル冷却器組立体に直接的に装着させることが可能である。
上述した実施例の変形例において、該マイクロチャンネル冷却器組立体は、実質的に４５℃以下の温度に夫々のＰＮ接合を実質的に等温状態に維持することが可能である。
上述した実施例の変形例に関連して、該複数のＬＥＤは電気的に並列させることが可能である。
上述した実施例の幾つかの場合には、該複数のＬＥＤの内の少なくとも１個は紫外線発光用のＬＥＤとすることが可能である。
上述した実施例の変形例において、該アレイの長さに対する幅のアスペクト比は実質的に約１：２乃至１：１００の間である。
上述した実施例の変形例において、該アレイの長さに対する幅のアスペクト比は約１：６８である。
上述した実施例の変形例に関連して、ピーク放射照度は１００Ｗ／ｃｍ２以上とすることが可能であり、且つ被加工物表面は該光学的反射器のウィンドウの外側表面から少なくとも２ｍｍ離れている。
上述した実施例の変形例において、該複数のＬＥＤのかなりの数のものが直列に接続されているものではない。
上述した実施例の幾つかの場合には、該アレイを横断し且つ下側において該マイクロチャンネル冷却器を介しての冷却剤の流れは、該アレイの最小寸法に実質的に平行な方向であるように構成されており且つ付加的に実質的にバランスされている。
上述した実施例の変形例において、該ランプヘッドモジュールは、複数のＬＥＤ又は複数のＬＥＤからなる複数のグループを個別的にアドレスすべく動作可能であり、該マイクロチャンネル冷却器にボンドされているフレックス回路（flex circuit）を包含することが可能である。
上述した実施例の変形例に関連して、該マイクロチャンネル冷却器は、工場置換可能性（factory replaceability）を簡単化させるために、１個又はそれ以上のカソードコネクタと１個又はそれ以上のアノードバス本体との間にクランプさせることが可能である。
上述した実施例の変形例において、該ランプヘッドモジュールは集積化したＬＥＤドライバを包含することが可能である。
上述した実施例の幾つかの例において、該光学的マクロ反射器は現場で置換可能とすることが可能である。
本発明のその他の実施例は、各々が光学的マクロ反射器と、ＬＥＤアレイと、マイクロチャンネル冷却器組立体とを包含している端部同士を直列接続した複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールを包含する紫外線（ＵＶ）発光ダイオード（ＬＥＤ）硬化システムを提供している。該光学的マクロ反射器は、外側表面を具備するウィンドウを包含している。該ＬＥＤアレイは、該光学的反射器内に位置されており且つ高いフィルファクタ及び高いアスペクト比を有している。該ＬＥＤアレイは、該光学的反射器のウィンドウの外側表面から少なくとも１ｍｍ離れた被加工物表面において２５Ｗ／ｃｍ２よりも一層大きな放射照度を有する実質的に一様な高い放射照度の出力ビームパターンを与えるべく動作可能である。該マイクロチャンネル冷却器組立体は、該ＬＥＤアレイ内の複数のＬＥＤの夫々のＰＮ接合を８０℃以下の温度に実質的に等温状態に維持すべく動作可能である。該ＬＥＤアレイを該マイクロチャンネル冷却器組立体へ直接的に装着させることによって、該ＬＥＤアレイと該共通のアノード基板との間に熱的に効率的な電気的接続が形成される。
本発明の実施例のその他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な説明から明らかなものとなる。
従来技術のＬＥＤアレイの一部の平面図。 断面線１Ｂ−１Ｂに沿って取った図１ＡのＬＥＤアレイの断面図。 本発明の１実施例に基くＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの斜視図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの正面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの側面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールのトップレベルの斜視断面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールのトップレベルの正面断面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールのトップレベルの斜視分解図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの反射器の底部部分及び本体の上部部分の拡大斜視断面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの反射器の底部部分及び本体の上部部分の拡大正面断面図。 ＬＥＤアレイ及び図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの共通アノード基板層とのそのインターフェースを例示している更なる拡大斜視断面図。 ＬＥＤアレイ及び図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの共通アノード基板層とのそのインターフェースを例示している更なる拡大正面断面図。 図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの種々の層を例示しており且つその本体の上部部分の分解拡大斜視断面図。 図２ＡのＵＶランプヘッドモジュールの反射器の上部部分の分解拡大斜視断面図。 端部キャップを除去した図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの反射器の拡大斜視図。 本発明の１実施例に基く４個の相互接続されたＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの斜視図。 本発明の１実施例に基く４個の相互接続されたＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの斜視図。 ＬＥＤアレイパッケージ及びヒートスプレッダー（heat spreader）の別の実施例の斜視図。 本発明の１実施例に基くマクロ反射器を具備したＬＥＤアレイパッケージ及びヒートスプレッダーの別の実施例の斜視図。 図１０Ａ及び１０Ｂのヒートスプレッダーの底部側を図示した斜視図。 ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの別の実施例の斜視断面図。 ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの更に別の実施例の正面断面図。 図１０ＥのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの拡大斜視断面図。 図１０ＥのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの更なる拡大斜視断面図。 本発明の１実施例に基いて異なる作業距離に対して実質的に同じ高さの２個のマクロ反射器を概念的に例示している。 本発明の１実施例に基く２ｍｍマクロ反射器に対する周辺光線を例示している図１１Ａの拡大図。 ２ｍｍ焦点面に対して最適化したマクロ反射器を示しており、該反射器の各側部は本発明の１実施例に基いて被加工物上にフォーカスさせたビームの中心線からオフセットしている焦点を有している。 種々のチャンネル幅に対しての推測される対流熱抵抗を例示したグラフ。 種々の接合温度に対する出力パワーを例示したグラフ。 動的抵抗対順方向電流曲線を例示したグラフ。 本発明の１実施例に基いて２ｍｍ焦点面に対して最適化させた反射器を具備するＵＶＬＥＤランプヘッドに対する放射照度分布を例示したグラフ。 本発明の１実施例に基いて５３ｍｍ焦点面に対して最適化させた反射器を具備するＵＶＬＥＤランプヘッドに対する放射照度分布を例示したグラフ。
マイクロチャンネル冷却型ＵＶ硬化システム及びそのコンポーネントを説明するが、それらは物質の光化学的硬化及び高いフィルファクタ、高い電流密度、及び高輝度属性（究極的には高放射照度の属性に通じる）を必要とするその他の適用例に対して構成されている。本発明の１実施例によれば、超高放射照度ＵＶ硬化システムの高フィルファクタＬＥＤアレイの複数のＬＥＤは、非常に熱的に効率的な態様の接続（例えば、直列形態又は直列／並列形態において典型的に必要とされるような該複数のＬＥＤのベースと基板との間に熱的に妨害となる誘電体層が存在しない）を達成するために共通アノード基板上において実質的に電気的に並列（超並列とも言う）に配置されている。
本発明の実施例によれば、高フィルファクタのヒートフラックス／熱要求を受け付けるために、例え共通アノード基板が非常に高いアスペクト比を有する場合であっても等温共通アノード基板挙動を達成するための実際的な手段としての高電流密度で高輝度のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールも提供される。１実施例によれば、ＬＥＤアレイが直接的にマイクロチャンネル冷却器へボンドされ、且つ冷却剤がＬＥＤアレイの最小寸法方向に実質的に平行な方向においてＬＥＤアレイを横断し且つその下側を流れる。１実施例においては、夫々のＬＥＤの下側を走行する夫々のマイクロチャンネルを介しての冷却剤の流れはほぼ等しく（例えば、バランスされており）、従ってＬＥＤアレイの夫々のＬＥＤの夫々のＰＮ接合は実質的に等温である。１実施例においては、高アスペクト比共通アノード基板は側部から側部へかけて且つ端部から端部へかけて実質的に等温である。このことは、各チャンネル間の厳格な流れバランス範囲を維持しながら、ＬＥＤアレイの長手軸に対して実質的に横方向においてＬＥＤアレイの下側を冷却剤の流れを指向させる複数のマイクロチャンネルを具備する好適には実質的に銅のマイクロチャンネル冷却器の使用を介して達成することが可能である。１実施例においては、この流れのバランスは、ＬＥＤアレイの長手軸に対して平行に走行する主要冷却剤入口及び出口冷却剤流体チャンネルをそれらの長さに沿ってほぼ均一である圧力降下のレベルに到達するように設計することによって達成される。
種々の実施例において、マイクロチャンネル冷却器へボンドされているフレックス回路を使用してＬＥＤアレイの複数のＬＥＤ又は複数のＬＥＤの複数のグループを個別的にアドレスし、従って該複数のＬＥＤを順方向電圧（Ｖｆ）、波長、寸法、光学的パワー等に対してビン処理（bin）することが可能であり、それにより、単に１個又は数個のビンでＬＥＤグループを供給するためのＬＥＤ製造業者に関する要求を実質的に低下させる。このことは、又、本発明の実施例のＵＶＬＥＤランプが複数のＬＥＤの複数のビンを使用することを可能とさせる。複数のＬＥＤの複数のビンを使用するこの能力は、それ自身において及びそれ自身のビニング（binning）を必要とすることのないＵＶＬＥＤランプを製造する能力を向上させる。
幾つかの実施例において、工場で交換可能であるか又はそうでなければ消耗品として知られているモノリシックマイクロチャンネル冷却器が使用される。以下に更に説明する如く、ＬＥＤ及びフレックス回路はマイクロチャンネル冷却器の上部表面にボンドさせることが可能であり、従って永久的に固定されているものと基本的に考えられる場合があるが、マイクロチャンネル冷却器組立体は、種々の幾何学的形状のカソードマイクロバスバー及び／又はコネクタ（例えば、矩形、かぎつめ、等）と種々の幾何学的形状の好適にはモノリシックなアノードバス本体（例えば、矩形、プレート、等）との間に独特にクランプされており、それにより交換可能性を容易化させている。
本発明の種々の実施例によれば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールは、集積化したＬＥＤドライバを包含することが可能である。この様に、高容量「サーバーファーム（server farm）」用に設計された既成のＡＣ／ＤＣ電源を使用することが可能であり、且つ遠隔的にＤＣ／ＤＣを実施し且つ一層大きな直径の（一層小さなゲージの）５ＶパワーケーブルをＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールへ走行させる代わりに、１２ＶパワーケーブルをＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール（例えば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００）へ走行させることが可能である。集積化した高パワー密度ＬＥＤドライバが使用される実施例においては、それらを該ドライバ組立体からの廃熱を本体内に伝達及び／又は散逸させるために中間に介在する熱伝導化合物又はモノリシックインターフェース物質と共に主要ランプ本体に装着させることが可能であり、その場合に、該廃熱はＬＥＤアレイを冷却するのと同じ冷却剤の流れによって持ち去られる。
幾つかの実施例においては、工場及び／又は現場で置換可能なマクロ反射器が使用され、それは異なる性能特性（例えば、高放射照度、高度フォーカス型、短作動距離乃至フォーカス型長作動距離、高放射照度を維持しながら大きな焦点深度を必要とする適用例、及び非常な広角度、一層一様な放射照度適用例）を与えることによって特定の適用例に対してカスタム化させることが可能である。
以下の説明においては、本発明の実施例を完全に理解するために多数の特定の詳細について記載する。しかしながら、当業者に明らかな如く、本発明の実施例はこれらの特定の詳細無しで実施することが可能である。
注意すべきことであるが、本発明の実施例をＵＶＬＥＤシステムの文脈において説明するが、本発明の実施例はそのように制限されるものではない。例えば、可視光及びＩＲ適用例が考えられ且つここに記載する構成上の改良から利点が得られる場合がある。又、ＵＶのＡ，Ｂ又はＣ発光装置及び可視光及び／又はＩＲ発光装置を使用することによって、水銀ランプの出力を模倣するために同じ発光装置内において異なる波長を使用することが可能である。本発明の実施例の高フィルファクタ特性は、又、有害な処理効果となる蓋然性のある被加工物表面上のピクセル化効果を回避する一方、種々の波長の相互支出（inter-disbursement）を可能とさせる。更に、種々の実施例によれば、マクロ非結像用光学的反射器内の波長混合は、パワー密度及び波長混合の両方の観点から、一様な（ピクセル化されていない）出力ビームを発生させる。
簡潔のために、本発明の実施例を、底部上にアノード側を具備するＬＥＤの文脈で説明する場合があるが、当業者が認識するように、アノード側は上部表面上とすることが可能であり、及び／又はアノード及びカソードの両方のコンタクトを上部又は底部上とすることが可能である。そうであるから、ここでのアノード／カソード構成に対する参照は、特定の実現例に依存して逆にする（又は電気的に中性とする）ことが可能である。同様に、フリップチップワイヤボンド無しＬＥＤ、導電性基板及び非導電性基板ＬＥＤチップ（サファイヤ、窒化アルミニウム、シリコン、又は酸化シリコン又は亜鉛上のＥＰＩ層を具備するもの）、アレイ、及び／又はパッケージ化装置を考慮することが可能である。ＥＰＩ層は、窒化物、酸化物、シリコン、カーバイド、燐、砒素、等からなるグループから選択することが可能である。
用語
本願を介して使用される用語の簡単な定義を以下に与える。
「平均放射照度」という用語は、概略、被加工物上に投射される出力ビームパターンの幅にわたるイラディアンス（irradiance）即ち放射照度を意味しており、その場合に、放射照度値は該出力ビームパターンの各側部上で基本的にゼロに降下する。本発明の実施例において、ウィンドウから２ｍｍにおいて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールは約３２Ｗ／ｃｍ２（４０−８２Ｗ／ｃｍ２の範囲）の平均放射照度を発生する。本発明の実施例において、ウィンドウから５３ｍｍにおいて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールは約６Ｗ／ｃｍ２（８−１５Ｗ／ｃｍ２の範囲）の平均放射照度を発生する。
「接続されている」、「結合されている」、「装着されている」という用語及びそれに関連する用語は、動作的な意味において使用され、且つ必ずしも直接的な接続、結合、又は装着に制限されるものではない。
「拡散ボンディング（diffusion bonding）」という用語は、通常、溶接に類似して複数の金属を一体とさせる方法のことを意味しているが、「溶接」の手段として互い内への表面拡散に依存する。例えば、拡散ボンディングプロセスは、時折、ニッケルのような酸素阻止プレーティング（鍍金）と共に、一体的にクランプし、且つ約１，０００℃（５００−５，０００度の範囲）の極めて高い温度に露呈させ、それにより分子的に表面を混ぜ合わせ且つ実質的にモノリシックな物質を形成することによって、通常実質的に同様な複数の物質からなる複数の層をボンドさせることが可能であり、その場合に、グレインが混ぜ合わされ且つしばしばボンドラインはバルク物質から実質的に識別不可能であり、且つ拡散ボンディングされた物質の特性は、熱伝導率及び強度の点において、バルクの拡散ボンディングされていない物質から実質的に異なるものではない。拡散ボンディングは、シンタリング（sintering）即ち焼結に対して幾つかの類似点を有する場合がある。数ミクロン程度の銀プレーティングの薄い層も複数の層のボンディングを容易化させるために使用することが可能である。この後者のプロセスは半田付けに対して幾つかの類似点を有している場合がある。
「直接的に装着される（directly mounted）」という用語は、通常、接着又は張り付ける２つのものの間に何ら実質的な介在及び／又は熱的に阻止する層が導入されること無いマウンティング（mounting）即ち装着のことを意味している。１実施例においては、ＬＥＤアレイが、薄い半田層を具備するマイクロチャンネル冷却器の表面によって与えられる共通アノード基板へ装着される。これは、「直接的に装着される」という用語によって包含されることが意図されている例である。従って、ＬＥＤアレイは共通アノード基板に直接的に装着されているものと考えられる。熱的に阻止する層の例は、バルク基板物質、フォイル（箔）、薄膜（誘電性又は導電性）、又は接着または張り付けられる２つのものの間に導入されるその他の物質（薄い半田層以外）を包含する。
「高放射照度（high irradiance）」という用語は、通常、４Ｗ／ｃｍ２より大きな放射照度のことを意味している。本発明の実施例によれば、達成可能なピーク放射照度レベルは、ＬＥＤの長寿命及び高効率の両方を維持しながら、現在の技術水準であるＵＶＬＥＤ硬化システムのレベルの約１０倍である。以下に更に説明する如く、種々の実施例に基いて、被加工物上の放射照度は、現在のＵＶＬＥＤ硬化システムにおいて見られる有害なピクセル化及び／又はギャップが実質的に無いものである。一方、注意すべきことであるが、殆どのＵＶＬＥＤランプ製造業者は、ウィンドウにおいてピーク放射照度を測定する一方、ここで説明する種々の実施例においては、被加工物表面において測定する。ウィンドウにおいての測定は基本的には意味の無いものである。というのは、被加工物は典型的にウィンドウに位置されていないからである。
「高フィルファクタＬＥＤアレイ（high fill-factor LED array）」という用語は、通常、夫々のＬＥＤが密接して離隔されており且つＬＥＤアレイの表面積の５０％を超える（しばしば９０％を超える）ＬＥＤアレイのことを意味している。本発明の１実施例においては、ＬＥＤアレイ内の夫々のＬＥＤは端部同士が２０ミクロン未満離隔されており、且つ、幾つかの場合には、端部同士が１０ミクロン未満であり、端部同士の距離の範囲は１−１００ミクロンである（完全にモノリシックなＬＥＤに対してはゼロミクロン間隔も考えられる）。無機及び実質的に有機の両方のＬＥＤが意図されている。
「１実施例において」、「１実施例に基いて」、等の用語は、通常、その用語に続く特定の特徴、構造、又は特性が本発明の少なくとも一つの実施例の中に包含されており、且つ本発明の一つを超える実施例の中に包含される場合があることを意味している。重要なことであるが、この様な用語は必ずしも同じ実施例のことを意味しているものではない。
「放射照度（irradiance）」という用語は、通常、単位面積当り表面に到達する放射パワー（例えば、平方センチメートル当りのワット又はミリワット（Ｗ／ｃｍ２又はｍＷ／ｃｍ２））のことを意味している。
「発光装置（light emitting device）」という用語は、通常、端面発光体であるか又は表面発光体であるかに拘わらずに、１個又はそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）（実質的に非コヒーレント光を射出）及び／又はレーザダイオード（実質的にコヒーレント光を射出）のことを意味している。本発明の種々の実施例において、発光装置はパッケージ化されているか又はベアダイとすることが可能である。パッケージ化したダイは、ベアダイから構成されるばかりではなく、通常、電気的入力及び出力経路及び熱経路に対するトレースを容易化させるためにダイが装着（通常半田付け）されている基板と、通常、レンズ及び／又は反射器と取り付ける手段とから構成される装置のことを意味しており、その１例はフィリップスＵＳＡから入手可能なレキセオンリーベル（Lexeon Rebel）である。１実施例によれば、ベアの発光装置ダイ（即ち、エピタキシャル成長させたＰＮ接合を具備するウエハから直接的に切断したダイ）が、それ自身は、本発明の種々の実施例において、通常、モノリシックの拡散ボンディングしたマイクロチャンネル冷却器構成体を形成する多層積層体の層である高熱伝導性物質（銅、Ｇｌｉｄｃｏｐ、ＢｅＯ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、グラファイト、ダイアモンド等からなるグループから選択される）の少なくとも１個の拡散ボンディングした層へ直接的に（付加的な著しく熱的に阻止性の層無しで）ボンディング（通常半田付け）される。該積層体は必ずしも拡散ボンディングされねばならないものではない。何故ならば、ボンディングプロセスは半田付け（soldering）、ろう付け（brazing）、糊付け（gluing）などから選択することが可能だからである。
「発光ダイオード（light emitting diode）」又はその略語である「ＬＥＤ」という用語は、通常、エレクトロルミニセンスとして知られているプロセスを介して電磁スペクトル内の特定の狭い帯域の波長を射出すべく設計されているＰＮ接合（Ｐ型半導体とＮ型半導体との間の接合）を包含している半導体装置のことを意味している。１実施例においては、ＬＥＤは非コヒーレント光を射出する。
「低フィルファクタＬＥＤアレイ（low fill-factor LED array）」という用語は、通常、夫々のＬＥＤがまばらに配列されており且つＬＥＤアレイの表面積の約５０％を超えることのないＬＥＤアレイのことを意味している。
「低放射照度（low irradiance）」という用語は、通常、約２０Ｗ／ｃｍ２以下の放射照度のことを意味している。４Ｗ／ｃｍ２未満の定格とされているＵＶＬＥＤシステムは、ピニング（pinning）（例えば、インク設定）以外の殆どの硬化適用例に対して典型的に十分なものではない。
「マクロ反射器（macro reflector）」という用語は、通常、５ｍｍ以上の高さを有するリフレクタ（reflector）即ち反射器のことを意味している。幾つかの実施例においては、マクロ反射器は５ｍｍから１００ｍｍを越える範囲となる場合がある。
本明細書が、或るコンポーネント又は特徴が包含されているか又は或る特性を有している「場合がある（may）」、「可能である（can）」、「可能性がある（could）」、又は「かもしれない（might）」と言及している場合には、その特定のコンポーネント又は特徴が包含されていること又はその特性を有していることが必要とされるものではない。
「ピーク放射照度（peak irradiance）」という用語は、通常、被加工物上に投影された出力ビームパターンの幅を横断しての最大放射照度値のことを意味している。本発明の実施例においては、ウィンドウから２ｍｍにおいて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールは約８４Ｗ／ｃｍ２（５０−１００Ｗ／ｃｍ２の範囲）のピーク放射照度を達成することが可能である。本発明の幾つかの実施例においては、ウィンドウから５３ｍｍにおいて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールは、約２４Ｗ／ｃｍ２（１０−５０Ｗ／ｃｍ２の範囲）のピーク放射照度を達成することが可能である。
「放射エネルギ密度（radiant energy density）」、「全出力パワー密度（total output power density）」、又は「エネルギ密度（energy density）」という用語は、通常、単位面積当りに表面に到達するエネルギ（例えば、平方センチメートル当りのジュール又はミリジュール（Ｊ／ｃｍ２又はｍＪ／ｃｍ２））のことを意味している。
「応答性（responsive）」という用語は、完全又は部分的な応答性を包含している。
「全出力パワー（total output power）」という用語は、通常、出力ビームパターン長のＷ／ｃｍにおける寄せ集めのパワーのことを意味している。１実施例によれば、ウィンドウから２ｍｍにおいて、出力ビームパターン長のｃｍ当りの約２０．５Ｗの全出力パワーが各ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールによって発生される。１実施例によれば、ウィンドウから５３ｍｍにおいて、出力ビームパターン長のｃｍ当り約２１．７Ｗの全出力パワーが各ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールによって発生される。
「超高放射照度（ultra high irradiance）」という用語は、通常、被加工物において５０Ｗ／ｃｍ２よりも一層大きな放射照度のことを意味している。１実施例において、ＵＶＬＥＤヘッドモジュールは、短い作動距離（例えば、約２ｍｍ）において１００Ｗ／ｃｍ２よりも一層大きなピーク放射照度を達成することが可能である。ＬＥＤの迅速に進化するパワー出力及び効率に鑑み、今後数十年で１桁よりも大きいだけの改善を達成可能なピーク放射照度を予測することに合理性がある。そうであるから、今日の高放射照度適用例の幾つかは、空気冷却型ＬＥＤアレイで達成され、且つその他は、一層早く、一層硬く又はより完全な硬化のためにこれらの一層高い放射照度を利用し、及び／又はそれによって可能なものとされ、及び／又はより少ない光開始剤を使用することとなる。本発明の種々の実施例の文脈において独特なことは、超高ピーク放射照度、超高平均放射照度、超高全放射照度（ドーズ）及び被加工物へ送給されるドーズの濃度の両方を提供する能力である。
「ＵＶ硬化プロセス（UV curing process）」という用語は、通常、光開始剤（ＰｈＩ）が最初にＵＶ光を吸収し、それを励起状態とさせるプロセスのことを意味している。該励起状態から、ＰｈＩは遊離基に分解し、該遊離基は光重合を開始させる。しかしながら、ＵＶ硬化可能製剤においては常に幾らかの量の酸素（１−２ｍＭ）が存在する。従って、ＰｈＩ光分解からの初期の遊離基は、モノマーの（典型的にアクリレートの）二重結合と反応する代わりに、最初に酸素と反応する。何故ならば、ＰｈＩ遊離基と酸素との反応割合はアクリレート二重結合のものよりも１０５乃至１０６一層早いからである。更に、ＵＶ硬化の正に最初の段階において、空気中の酸素も硬化した膜内に拡散して入り且つＰｈＩと反応し、そのことは主要な酸素阻害となる。ＵＶ硬化可能な膜内の酸素が消費された後に始めて、光開始型重合が行われる。従って、酸素阻害に打ち勝つためには、非常に短い時間期間内に硬化された膜の表面において大量の遊離基が必要とされ、即ち高強度ＵＶ光源が必要とされる。特定の製剤に対するＵＶ光強度の吸収は、ＵＶ光の波長に依存する。数学的には、吸収されるＵＶ光強度（Ｉａ）は、Ｉａ＝Ｉ０×［ＰｈＩ］によって与えられ、尚、Ｉ０はＵＶ光源からのＵＶ光強度であり且つ［ＰｈＩ］は光開始剤濃度である。同じ［ＰｈＩ］レベルにおいて、Ｉ０を増加させるとＩａを増加させ、それにより酸素阻害を減少させる。別の言い方をすると、高Ｉ０光源を使用することによって、より少ない［ＰｈＩ］を使用することが可能であり、そのことは、典型的に、製剤の最も高価な部分である。ＵＶ光の吸収は良く知られているランバートビア法則、Ａ（吸収）＝Ｅｃｄ、に従い、ＥはＰｈＩ消滅又は吸収係数であり、ｃはＰｈＩの濃度であり、且つｄはサンプル（硬化すべき膜）の厚さである。以下の表から分かるように、ＰｈＩ光吸収の効率は、波長と共に大きく変化する。この場合には、２５４ｎｍにおいて、光吸収効率は４０５ｎｍにおけるものよりも２０倍一層高い。従って、４００ｎｍにおけるＵＶＬＥＤ光強度が一層短い波長（約１００Ｗ／ｃｍ２）における典型的に硬化パワーの１００倍で供給することが可能である場合には、光の吸収における光開始剤の効率差は酸素阻害を減少させることが可能である。
１．９４×１０４ ２５４ｎｍにおいて、
１．８×１０４ ３０２ｎｍにおいて、
１．５×１０４ ３１３ｎｍにおいて、
２．３×１０３ ３６５ｎｍにおいて、
８．９９×１０２ ４０５ｎｍにおいて。
図２Ａ−Ｃは、本発明の１実施例に基く超高輝度ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の、夫々、斜視図、正面図及び側面図である。１実施例によれば、超高輝度ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、超高放射照度を発生する。超高輝度ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、就中、インク、コーティング、接着剤等の光重合即ち硬化のために使用することが可能である。適用例に依存して、ＵＶ硬化システム（ＬＥＤＵＶ発光システム）（不図示）は、１個又はそれ以上のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００、及び、これらに制限されるものではないが、ＬＥＤドライバ（ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００内部又は外部）と、１個又はそれ以上の冷却システムと、１個又はそれ以上のＡＣ／ＤＣ電源システム（例えば、リーニエイジ（Lineage）ＵＳＡ又はパワーワン（Power-One）ＵＳＡから入手可能であり、約９０％（又はそれ以上）効率的であり且つ約１ｋｇの重さ）と、１個又はそれ以上の制御モジュールと、１個又はそれ以上のケーブルと、１個又はそれ以上のコネクタ（不図示）とを包含するその他のコンポーネント、を具備して形成することが可能である。
１実施例によれば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の高輝度は、高いパワー密度（例えば、出力ビームパターン長（１０−３０Ｗの範囲）のｃｍ当り約２０．５Ｗ）を有する狭い幅（例えば、約０．６５ｃｍ（０．１乃至２ｃｍの範囲）、一層大きな焦点深度を有する一層広い幅（例えば、約３．６５ｃｍ（３乃至１０ｃｍの範囲）、又は短い又は長い作動距離（一層大きな焦点深度が或る場合または無い場合）、又は更に非常に広い角度／大面積ビーム出力パターン（一層大きな焦点深度がある場合又は無い場合）、を包含する出力ビーム（不図示）の可能な光学的特性の範囲を可能とさせる。ビームの幅（及びビームの長さ）を横断して均一な放射照度を有する出力ビームパターンを考慮する場合がある。
更に以下に説明する如く、本発明の１実施例によれば、該高輝度は、高フィルファクタ（５０％を超え、且つ、しばしば、９０％を超える）ＬＥＤアレイ（不図示）及び高放射照度出力ビームを発生することとなる高い電気パワー密度で該ＬＥＤアレイを動作させることから発生する。該高い電気パワー密度は、以下に説明する種々の新規な方法を介して効果的に管理される高い熱密度（電気対光学壁変換損失に起因して）となる。
究極的には、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、高輝度源を可能とさせる独特の高い放射照度及び柔軟性のある光学的出力ビーム特性に起因して、現在の技術水準のＵＶＬＥＤランプのみならず、現在の技術水準の水銀ランプをも置換させることが意図されている。ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、又、水銀を包含しておらず、且つ電気的に非常に効率的なものであるから、「グリーンテクノロジー」であると考えられる。この効率は、部分的には、水銀を含有するランプと比較してのＬＥＤの本来的な効率から派生されるばかりか、部分的には、ＬＥＤ接合と冷却流体（インレット冷却管２０３を介してＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００内に導入され且つアウトレット冷却管２０４を介してＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００から排出される）との間に非常に低い熱抵抗を与え、それによりＬＥＤ装置の高度に効率的な動作に必要とされる低い接合温度を形成させる，以下に説明する冷却方法から派生される。
この説明において、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００のハウジング２０２及び反射器２０１が例示される。種々の実施例に基いて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００のハウジング２０２は、約長さ８０ｍｍ×幅３８ｍｍ×高さ１２５ｍｍである。与えられた適用例に対して選択される新規な容易に交換可能であり且つ現場で交換可能な反射器２０１の長さは、実質的に、長さにおいて数千ミリメートルの範囲内であるが、この様な反射器は、典型的には、長さにおいて約１００ｍｍであり、且つ０−１０００ｍｍであるが、典型的には２ｍｍ乃至５３ｍｍの範囲における作動距離を与える。
本発明の実施例によれば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、スタンドアローンで、又は１個又はそれ以上のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールと結合して直列的に使用されるべく設計される。以下に更に説明する如く、複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、１個のヘッド（モジュール）（例えば、８０ｍｍ）から例えば８，０００ｍｍの長さを有する多分１００個のヘッド（モジュール）の長さで直列的に容易に構成される。複数ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、又、幅において直列的に構成することも可能である。１実施例によれば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の長さ方向の直列結合の独特の特徴は、たとえ短い作業距離（例えば、約２ｍｍ）適用例においても被加工物表面において長い出力ビームパターンを形成するために複数のヘッド（モジュール）が直列的に端部同士を互いに当接されている各インターフェース点において、出力ビームが実質的に認識可能な放射照度損失を包含するものではない、ということである。
更に以下に説明する如く、１実施例においては、反射器２０１は、工場で交換可能であり、且つ、好適には、現場で交換可能である。反射器２０１は、アルミニウム及び研磨し、鋳造し、押し出した金属又はポリマーなどから機械加工することが可能であり、又は射出成形することが可能である。反射器２０１は、銀コーティングを有することが可能であり、且つ複数のコーティングの誘電体積層体を有することが可能である。反射器２０１は、デポジションプロセス（例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、ゾルゲル）を使用して、単一層の保護誘電体コーティングを有することが可能である。反射器２０１は、機械的に又は電気分解によって研磨することが可能である。複数ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００は、しばしば、幅広フォーマット（wide-format）印刷のように、長尺適用例においてエンドツーエンド、即ち端部同士を接して配置させることが必要であることが意図されている。これらの場合には、反射器２０１によって形成される投影され及び／又はフォーカスされたビームが全ビーム経路に沿って、特に端部同士を接した形態とされたＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００及び／又はＬＥＤアレイの間の区域において、ほぼ一様な放射照度を有しており、被加工物のコーティング、インク、接着剤等が一様に硬化されることが望ましい。注意すべきことであるが、本発明の実施例によって与えられる高い放射照度に起因して、コーティング及びインク等は、その中に実質的により少ない光開始剤を有しているか又は基本的に光開始剤を有していない場合があり、且つ何ら認識可能な光開始剤の助け無しで物質を硬化するために十分なドーズで電磁エネルギが供給されるＥビームに対して同様の態様で硬化することが可能である。
種々の実施例において、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の放射照度は、インクジェット印刷等の短い作業距離（例えば、約２ｍｍ）における１００Ｗ／ｃｍ２を超える場合から、クリアコート硬化などの長さ作業距離（例えば、５０ｍｍ以上）における２５Ｗ／ｃｍ２を超える場合がある。１実施例によれば、ビーム幅は、多様な適用例及び動作条件に合致するために、約１ｍｍ幅から１００ｍｍ幅又はそれ以上に変化する場合があり、且つその長さは、前述した如く、１個のヘッド（モジュール）（例えば、８０ｍｍ）の幅程度の短いものから１００個のヘッド（モジュール）（例えば、８，０００ｍｍ）又はそれ以上の長いものに変化する場合がある。注意すべきことであるが、フォーカシング用の反射器又は光学系がビーム形状に影響を与えるように使用される場合には、ビームの長さはＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の長さよりも一層短くすることが可能である。外部の屈折性又はデフラクティブ（defractive）性の光学系も意図される。特定の実現例に依存して、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の長さは、数十乃至数百ミリメートルの長さの範囲にわたる場合がある。ＬＥＤは約０．３ｍｍ２乃至４ｍｍ２又はそれ以上の範囲にわたる場合があり、且つそれらは矩形状であり、単一の長さ行、複数の長い行、又はモノリシックに配向されている場合がある。
本発明の実施例によれば、ＬＥＤアレイ３３０の効率は、通常、１０−２０％を遥かに超え、且つ全体的なシステム効率（熱交換器又は冷却装置、ポンプ、及び電源損失を含む）は、通常、５−１０％を遥かに超える。
しばらくの間インレット冷却管２０３及びアウトレット冷却管２０４に戻ると、これらは、例えば、押し出しポリウレタン、ビニル、ＰＶＣ（ハドソンエクストルージョン（Hadson Extrusions）ＵＳＡから入手可能）等から構成することが可能であり、且つ約５／１６インチＩＤ及び約７／１６インチＯＤとすることが可能である。１実施例においては、管２０３及び２０４は、高引張り強度及び低吸湿を有するポリウレタンのものである。スエージロック（Swagelok）ＵＳＡから入手可能な管継手又はジョンゲスト（John Guest）ＵＳＡからの継手を使用することが可能である。使用環境に依存して、１個を超えるインレット冷却管２０３及びアウトレット冷却管２０４、例えば多分約４個の一層小さなインレットライン及び約４個の一層小さなアウトレットライン（不図示）、を使用することが望ましい場合がある。このことは、より小さなベンド半径を有するより厄介でないユニットを構成する場合があり且つマイクロチャンネル冷却器（不図示）を介して多少一層均一に分布された冷却剤の流れとさせることを可能とする場合があるが、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００内の深い主要なインレット及びアウトレットチャンネル（不図示）は、基本的に、好適なマイクロチャンネル冷却器チャンネル（不図示）への入口及びそれからの出口の点において圧力勾配を除去する。１実施例において、冷却剤は、１−１００ＰＳＩの間で且つ好適には約１５−２０ＰＳＩの間において、約５−５０℃の間の温度で且つ好適には約２０℃においてインレット冷却管２０３を介してＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００内に入り、且つ約１０−１００℃の間の温度で且つ好適には約２４度においてアウトレット冷却管２０４を介して出る。
１実施例によれば、ＵＶ硬化システムの種々の内部コンポーネント（例えば、ＬＥＤドライバ、ＰＣＢ及びＬＥＤアレイ）からの廃熱は、ランプ本体（不図示）内に散逸させ且つ冷却剤の流れによって熱交換器及び／又は冷却装置へ持ち去らせることが可能である。例示的な冷却装置は、ホエイリ（Whaley）ＵＳＡから入手可能である。１実施例においては、該冷却装置は、高効率のスクロール圧縮機（エマーソン（Emmerson）ＵＳＡから入手可能）を使用する。使用モデルに依存して、該冷却装置は、リザーバ、ポンプ、蒸発器、及び制御部がＵＶ硬化システムを収納している建物内に位置され、且つスクロール圧縮機、ファン、凝縮器等のコンポーネントの残部が建物外（例えば、建物の側部上又は屋根上）に位置される「スプリット」タイプのものとすることが可能である。注意すべきことであるが、冷却装置又は熱交換器のコンポーネントの多く又は全ては、１個又はそれ以上のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００及び／又は電源コンポーネントに対して直列又は並列又はその組合せで動作させることが可能である。例として説明すると、１個の大型の冷却装置を、１個又はそれ以上のポンプ及び／又はリザーバを有する場合がある複数のＵＶ硬化システムに対して使用することが可能な場合がある。水対空気用の例示的な熱交換機要素はリトロン（Lytron）ＵＳＡから入手可能である。どの冷却用溶液も、異なる圧力又は流量が蒸発器及びマイクロチャンネル冷却器を同時的に通過することが可能であるようにバイパス構成を使用することが可能である。
１実施例によれば、冷却用液体（冷却剤）は水を有している。該冷却剤は、又、生物付着抑制剤、殺菌剤、腐食抑制剤、凍結防止物質（例えば、グリコール）及び／又は熱伝達を向上させるためのナノ粒子（例えば、アルミナ、ダイアモンド、セラミック、金属（例えば、ナノ銅）、ポリマー、又は何らかの組合せ）も包含することが可能であり、且つ冷却システムはメンブレンコントラクター（membrane contractor）、酸素ゲッター、及びミクロンフィルタを包含することが可能である。熱伝導及び／又は熱伝達を向上させる二重目的のためにＵＶランプエネルギによって励起され且つ結果的に発生する光フェントン（Photo-Fenton）に起因するチタニア等のナノ粒子は、菌等の生物学的物質の除去を処理する。メンブレンコントラクターは、水中のＣＯ２を効果的に除去し且つ銅マイクロチャンネル表面の最適な腐食抵抗に対しての最適なｐＨを維持することに貢献する。
１実施例において、スライディングベーンポンプ（フルイドテック（Fluidoteck）、イタリア、から入手可能）を使用することが可能である。それは約４ＧＰＭより一層大きな流量及び約６０ＰＳＩ程度の高い圧力を有している。この流量は、本発明の種々の実施例（例えば、４個又は以上の８０ｍｍＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の直接接続）に関連して説明するマイクロチャンネル冷却器アーキテクチャに適切である。該ポンプは、又、非常に静粛で、コンパクトで、長寿命で、且つ効率的であり、約０．２５ＫＷを消費するに過ぎない。種々の実施例において、単一点故障に対する機会を減少させるために、冗長冷却剤ポンプを使用することが可能である。平均流量は、ランプヘッド当り約０．７５ＧＭＰ（０．１乃至１０ＧＰＭの範囲）とすることが可能である。
図３Ａ−Ｂは、図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の断面図を与えている。これらの図から、反射器２０１を有する光学的反射器層３５０がハウジング２０２内に収納されている本体３０５に装着されていることが分かる。１実施例によれば、本体３０５は、銅又は誘電体ポリマー物質（例えば、ＰＥＥＫ、トルロン（Torlon）、ＬＣＰ，アクリル樹脂、ポリカーボネート、もしかするとグラファイト、セラミック、メタル、カーボン、カーボンナノチューブ、グラフェン、ナノ寸法又はミクロン寸法のフレーク、チューブ、ファイバ等のフィラーで充填されたＰＰＳ）から構成されている。これらの充填した樹脂の幾らかはノースキングストン、ＲＩ、のクールポリマーズ（Cool Polymers）から入手可能である。ランプ本体３０５は、５軸ミリングで機械加工するか又は射出成形することが可能である。代替的に、本体３０５は、射出成形し且つ、オプションとして二次的に、ミリング又はドリル加工することが可能である。以下に更に説明する如く、種々のコンポーネントは、これらに制限されるものではないが、ハウジング２０２、反射器２０１、ＬＥＤアレイ３３０、マイクロチャンネル冷却器（好適には、ＬＥＤアレイ３３０に対する共通アノード基板の一部を形成している）、カソード爪（claw）３２１、及びアノードバス本体３１５ａ−ｂ、及び好適にはメタルコアＰＣＢ（ＭＣＰＰＣＢ）である１個又はそれ以上のＬＥＤドライバプリント回路基板（ＰＣＢ）、を包含する本体３０５に対して直接的に又は間接的に装着させることが可能であり、且つアノードバス本体３１５ａ−ｂは、ＭＣＰＣＢのメタルコアとして作用することが可能である（共通アノードバックプレーンとしても知られている）。
本非制限的例において、本体３０５は、その中に、主要インレットランプ本体冷却液体チャンネル３６０及び主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１が形成されており、それら両者は、本体３０５の長さにわたり延在している。主要インレットランプ本体冷却液体チャンネル３６０は、本体３０５のベースに形成されている第１冷却剤インレット（不図示）を介して、インレット冷却管２０３と流体連通している。主要アウトレットランプ本体冷却液体チャンネル３６１は、本体３０５のベースに形成されている第２冷却剤インレット（不図示）を介して、アウトレット冷却管２０４と流体連通している。チャンネル３６０及び３６１は、それらの間に配設されているマイクロチャンネル冷却器（不図示）を介して実質的に一様に冷却剤が流れるように寸法設定されている。１実施例においては、第１及び第２冷却剤インレットは、マイクロチャンネル冷却器を介して主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０から主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１への冷却剤の等しく且つ一様な流れを容易化させるために、本体３０５のベースの反対端部上で、互いに横断し、互い違いで、又はそれらの何らかの組合せとさせることが可能である。代替の実施例において、複数のインレットランプ本体冷却流体チャンネル及び複数のアウトレットランプ本体冷却流体チャンネルを使用することが可能である。
１実施例において、マイクロチャンネル冷却器を介しての流れバランスは、インレットポートから広げるか又は非常に深いチャンネルにより出口ポートへ集束させることによってチャンネルの全長に沿ってチャンネルの上部（マイクロチャンネル冷却器（不図示）に最も近い）近くの冷却剤圧力差がほぼ均一状態の点に到達する点へチャンネル深さを延在させることによってそれらの長さに沿ってほぼ均一である圧力降下のレベルに到達すべく主要冷却剤インレット及びＬＥＤアレイ３３０の長手軸に平行に走行する出口マニフォールドチャンネルを設計することによって、達成される。換言すると、極めて深いチャンネル３６０及び３６１が、冷却剤に十分な時間と、水力抵抗と、表面抗力とを与えてマイクロチャンネル冷却器の長さに沿って広がり且つその中の各チャンネルの上部近くで小さな圧力差を達成し、その結果ＬＥＤアレイ３３０下側の各マイクロチャンネルを介してバランスした流れとなっている。
１実施例によれば、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０のサブアッセンブリーコンポーネントは、これらに制限されるものではないが、ＬＥＤドライバ制御器ＩＣ（不図示であるが、それはＤＣ／ＤＣコンバータシステムの一部とすることが可能）、ＦＥＴ３１２、ゲート（不図示）、インダクタ３１１、コンデンサ（不図示）、抵抗（不図示）、及びカソードバスバー３０４ａ−ｂを包含している。上に示した如く、１実施例においては、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０は、メタル（コア）基板上の多層金属箔（例えば、銅）／誘電体層（例えば、ＭＣＰＣＢ）（コファン（Cofan）、カナダ、から入手可能）であり、且つドライバ組立体からの廃熱を本体３０５内に散逸させ、そこから主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０及び主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１を介しての冷却剤の流れによって持ち去られるように、中間の熱伝導性化合物で本体３０５へ結合（例えば、螺子を介して固定）されている。本例においては、チャンネル３６０及び３６１は本体３０５内に十分に深くに延在して、著しい量の廃熱が発生されるＦＥＴ３１２及びインダクタ３１１の実質的に下側の区域に対して冷却を提供する。複数の多層金属箔層を電気的に接続するためにビア即ち貫通導体を使用することが可能である。
１実施例において、表面装着電気コンポーネント及びその他の半導体コンポーネントを包含しているＬＥＤドライバ組立体ＰＣＢ３１０ａ−ｂは少なくとも９０％効率的である。例示的な高電流が可能で且つ効率的なＬＥＤドライバＩＣ（不図示）はナショナルセミコンダクタ（National Semiconductor）ＵＳＡから入手可能である（例えば、部品ＬＭ３４３４又はＬＭ３４３３又は実質的な均等物）。リニア（Linear）及びマキシム（Maxim）、ＵＳＡ、も同様の部品を製造している。ＬＥＤドライバＩＣ（不図示）は半導体接合ＰＮを含む装置であって、好適にはシリコンをベースとしており、本発明の種々の実施例において望ましい高電流ＬＥＤ駆動条件に適した一層低い電圧及び一層高い電流であるように一層高い電圧／一層低い電流の入力のバック変換（buck conversion）を可能とさせる。ＰＷＭを使用することが可能である。
ＬＥＤアレイ３３０の個々のＬＥＤ又は複数のＬＥＤの複数のグループはＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの対応するセグメントによって駆動される。例えば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の側部当り１７個のＬＥＤからなる４個のグループはＬＥＤ当り約３Ａ（０．５乃至３０Ａの範囲）及び約４．５−５Ｖ（２−１０Ｖの範囲）で駆動される。この様な実施例においては、ＬＥＤアレイ３３０は複数のＬＥＤからなる２個の行における６８個のＬＥＤ（全部で１３６個）を有しており、対向するＬＥＤグループはＬＥＤ当り約３Ａで対応するＬＥＤドライバＩＣによって電気的に駆動され及び／又は制御され、その結果、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００当り約２ｋＷ入力となる。別の非制限的な例は１５個のグループ×２での１６個のＬＥＤであり、それはグループ当り約４Ｖ及び４０Ａ（１−１０Ｖ及び１−５００Ａの範囲）で駆動することが可能であり且つＬＥＤドライバＰＣＢ３０１ａ−ｂ内への単に約１２Ｖの入力を有している。
幾つかの実施例においては、表面装着電気コンポーネント及びその他の半導体コンポーネントの高効率に起因して、カスタムメタルコアＰＣＢ（ＭＣＰＣＢ）を、好適には螺子又はその他の手段によって本体３０５の側部に固着させ且つインターフェース物質を介して且つ熱的に伝導性の本体３０５内へ熱伝導冷却させることが可能であるように構成することが可能である。その廃熱は、究極的には、本体３０５を介しての冷却剤の流れの対流輸送によって除去される。例えば、本体３０５の各側部上に１個づつである２個のＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂは、約４−１２ミル（mil）の熱伝導性誘電体物質層（サーマゴン（Thermagon）、ＵＳＡ及び／又はコファン、カナダから入手可能）を有する２．５ｍｍ（０．１−１０ｍｍの範囲）の厚さの銅コアボード上に構成することが可能である。１実施例においては、高度に熱伝導性の誘電体層が、本体３０５に固着されているＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの銅メタル層（例えば、１−４オンス（oz）銅箔層）の間に介在されている。各ＬＥＤドライバＰＢＣ３１０ａ−ｂ（例えば、×２）は、フレックス回路セクションによって分離されている複数のＬＥＤからなる４個のグループの位置に対応する４個の電気的に分離されたカソードセグメントを有することが可能である（図６の断面分解図においてはその内の４個が示されており、その内の２個は対向するＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂによって駆動される）。１実施例においては、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂ及びフレックス回路セクションは互いに直交して配設されている。別の非制限的な例は、本体３０５の各側部が各側部に固着した１個のＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂを有しており、４個の別々のＬＥＤドライバ制御器ＩＣが各ＰＣＢ上に位置されている（全部で８個のＬＥＤドライバ制御器ＩＣであり、それは、要するに、（例えば、８０ｍｍ長さの）ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００当り約２ｋＷ又はそれ以上まで駆動させることが可能である。）。再度、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０を本体３０５の側部へ固着させることによって、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂからの廃熱は本体３０５内に拡散させ且つ冷却剤の流れによって熱交換器又は冷却器へ持ち去らせることが可能である。１実施例においては、熱伝導性グリース又はその他の化合物をＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂと本体３０５との間に配置させることが可能である。別の実施例においては、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂは、非熱的効率態様で本体３０５へ取り付け且つファンを介して対流的に冷却させることが可能である。
１実施例によれば、共通アノード基板層３１７が、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄとアノードバス本体３１５ａ−ｂとの間にクランプされている。モノリシックＵ形状共通アノードは、アノードバス本体３１５ａ−ｂ（それらは実質的に互いに平行である）及び共通アノード基板層３１７（それはアノードバス本体３１５ａ−ｂに対して実質的に直交している）によって形成されている。別の実施例においては、共通アノード基板３１７及びアノードバス本体３１５ａ−ｂはモノリシック矩形又は正方形形状の共通アノードを形成することが可能である。
１実施例において、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄの一表面は共通アノード基板３７１のカソード部分に対して実質的に平行であり、且つ別の表面はＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの上部表面に対して実質的に平行であって、それによりこれら２つの層の間の電気的接触を可能とさせている。カソード爪３２０ａ−ｄ，３２１ａ−ｄ及びアノードバス本体３１５ａ−ｂを固着させる装着メカニズムを包含する共通アノード基板層３１７を形成する組立体に関しての更なる詳細を以下に与える。
本例においては、反射器２０１は大きく（マクロ：例えば、高さが数十ミリメートル）、モジュール型であり、非結像型反射器構成体であって、入口アパーチャ３５１又は出口アパーチャ３５３のいずれよりも著しく一層大きな中間部分３５２を有している。この様な構成体は、被加工物から反射器２０１への短いスタンドオフ距離（例えば、２ｍｍ）である印刷適用例に適しており、且つ高い放射照度（例えば、約５０Ｗ／ｃｍ２より大きい）は高い処理速度、硬化硬度及び硬化完全性（半硬化乾燥）に対して有益である。
１実施例において、反射器２０１は、ＬＥＤアレイ３３０によって射出される光の約９０％又はそれ以上（５０−９９％の範囲）を捕獲し且つ制御し、且つ長尺反射器２０１の各半分は被加工物上の投影した光学的パターンの中心線の反対側上に焦点を有する楕円であり、結果的に、従来の共用型焦点（投影したビーム中心線に沿って）設計アプローチよりもピーク放射照度を増加させている。複合楕円又はその他の複合放物線形状も考えられる。１実施例において、反射器２０１は約８０度（４５−９０度の範囲）の高い角度範囲を有するべく設計される。
本発明の実施例は、光開始剤は有毒性（且つ高価）である場合があり且つ硬化されなかったインク、コーティング、又は接着剤は不所望なものであるから、高いピーク放射照度と高い出力パワー（例えば、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００当り約１８４Ｗ）の両方を発生させることによって高品質の硬化（例えば、１００％又はほぼ１００％）を発生させることに努めるものである。上に指摘した如く、高い放射照度は、一層早く、一層深く、且つ一層硬く硬化された物質を発生させることとなる。その結果、本発明の実施例は、ＬＥＤの高効率と長寿命の両方を維持しながら、現在の技術水準のＵＶＬＥＤ（及び水銀ランプ）硬化システムにおけるレベルよりも約１０倍（又はそれ以上）であるピーク放射照度レベルを達成することに努めるものである。
１実施例によれば、反射器２０１は、容易に工場で置換可能であり且つ好適には現場で置換可能なものであって、それにより異なる適用例に対してＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の本体３０５にその他の反射器を取り付けることを可能とし、そのことは、異なる処理目標／パラメータを充足する場合がある。本例においては、反射器２０１は、２部構成のものである楕円反射器として示されており、その場合に、その２つの主要コンポーネントは１個又はそれ以上の楕円の対向する側部である。反射器２０１は、５軸ミル上で機械加工し、次いでダイアモンドグリッド研磨剤で研磨することが可能であり、又は、それは押し出し金属で且つ後研磨したものとすることが可能であり、又はそれはモールドキャビティ／押し出し金型の先研磨に起因して後研磨に対する必要性が無い押し出しポリマーとすることが可能である。上述した如く、反射器２０１は、高い放射照度（出力パワー密度）の狭い投影したフォーカルビーム「ライン」を要求する平坦な基板上のインク硬化などの適用例が超高強度ライン発生用反射器（不図示）上にボルトを使用することが可能であるようなモジュール型デザインのものとすることが可能であり、一方、一層長い被写界深度を要求する粗い地形の基板上の適用例は、以下に更に詳細に説明する如く、以前の反射器対を単にボルトを緩めて取り外し且つその代わりに新たな反射器対をボルト止めすることによって高強度反射器対と容易に交換されるこの一層長い被写界深度（又は一層長い焦点深度）に対して特に設計された反射器対（不図示）を必要とする場合がある。同様に、反射器対は、特に、高強度で長い作業距離用、又は被加工物上に広い区域で滑らかな強度のビームパターンを有する長い作業距離用に構成される場合がある。反射器２０１と共通アノード基板層３１７との間に位置決めピンを使用することが可能である。
１実施例において、好適には射出成形したポリマー反射器２０１の内部表面は、ＡＬＤプロセスのピンホール無しの性質に起因して耐腐食性であるＡＬＤ（原子層付着）保護オーバーコートを有する銀真空付着コーティングである。該銀コーティングは、種々の付着プロセス（例えば、ＡＬＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、蒸着、ゾルゲル）を使用して付着させることが可能である。ポリカーボネートは廉価なポリマー反射器樹脂であるので、銀を付着させる前にポリカーボネート上に蒸気バリアーを配置させるべきであり、そうすることによって、ポリマー反射器基板に対面する銀コーティングの側部は、腐食性蒸気（分子）が内側から外側へ該銀を腐食させることを許容することはない。低蒸気浸透性樹脂（例えば、Ｅ４８Ｒ（ゼオンケミカルズ（Zeon Chemicals）、ＵＳＡ）が考えられる。又、蒸気バリアー（例えば、銅、ＡＬＤ酸化物コーティング）が付加的に考えられ、且つ銀又はアルミニウムコーティングの前に反射器上に付着させることが可能である。ＡＬＤ誘電体オーバーコートは、酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）又は弗化物（例えば、ＭｇＦ２）又はそれらの何らかの組合せからなるグループから選択される。代替的に、反射器２０１上のＨＲコーティングは、射出成形したポリマー反射器上の誘電体でオーバーコートしたアルミニウムコーティングとすることも可能である。該誘電体コーティングは、好適には、適用例に対して最も適した波長のまわりのピーク反射率に対して調整された単一層弗化マグネシウム又は二酸化シリコンである。選択した波長範囲においてのピーク放射照度を増加させるために上述した構成の何れかに対して光学的干渉に基く誘電体積層体を使用することが可能である。
本発明の実施例は、ビーム制御用の二次光学系（不図示）及び／又は反射防止（ＡＲ）コーティングを有するウィンドウ（例えば、レンズ）３４０を使用することが可能である。ＡＲコーティングは、好適には、ＢＡＡＲ（広角反射防止）コーティングである。何故ならば、出口アパーチャ３５３から射出する角度は４５度を超える場合があり、そうであるから、この様なＢＡＡＲコーティングが使用されなかった場合には、高い角度はウィンドウ表面からの著しい有害な反射を蒙ることとなる。日焼けベッド用の高ＵＶ抵抗性アクリルが考えられるが、ウィンドウ３４０及び二次光学系のためにはホウケイ酸塩が好適である。１実施例においては、ウィンドウマウント３４１は以下に更に説明する如くにウィンドウ３４０を所定位置に保持している。１実施例によれば、ウィンドウ３４０と反射器２０１との間にＯリング（不図示）が位置されている。１実施例においては、不活性ガス又は微細多孔性球体（ゼオライト（Zeolite）、ＵＳＡから入手可能）を水蒸気を制御するために使用することが可能である。この蒸気は、ＬＥＤにわたり封止が使用されていない場合には、ＬＥＤ寿命にとって問題である場合がある。現在の技術水準は、短ＵＶ波長の高フォトンエネルギからの黄変が問題であるので、ＬＥＤ封止（高純度シリコーン等）を使用することを可能とするものではない。現時点においては、低炭素含有のショット（Schott）、ドイツ、からのシリコーン封止が現存するもので最も少ない黄変のものであることが知られている。
ウィンドウ３４０から被加工物表面への距離を測定する目的のために、ウィンドウ３４０は内側表面（ＬＥＤアレイ３３０の表面に最も近い）及び外側表面（被加工物の表面に最も近い）を有していることを理解すべきである。ここで、被加工物への距離は、通常、ウィンドウ３４０の外側表面に関して測定される。
図３Ｃは、図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００のトップレベルの斜視分解図である。本例によれば、電気的パワーが、夫々、カソードクロスプレート３７５及びアノードクロスプレート３７６へ結合されているカソードケーブル２０５及びアノードケーブル２０６を介してＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００へ供給される。本例においては、クロスプレート３７５及び３７６は、両方共、好適には半田接続を介して対応するケーブル２０５及び２０６を受け付けるためにそれらの上部表面に対して直交する筒状構成体を包含している。カソードクロスプレート３７５は、誘電体によって分離されており且つ究極的にはこれらの誘電体層の内の一つによってアノード共通アノード本体（ＭＣＰＣＢのメタルコア）から分離されている概略的にカソード層であるＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂとの電気的接続を与えるために、アノードクロスプレート３７６よりも一層幅広である。アノードクロスプレート３７６は、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのメタルコア（共通アノードバックプレーン）と係合する。１実施例において、主要アノードケーブル２０６及び主要カソードケーブル２０５を向上させた電流拡散目的のためにランプベース３０５の反対端部に位置させることが望ましい場合がある。
さて、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の電気的入力及び冷却剤入力端からＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の光射出端へ移ると、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄは、（ｉ）ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのカソード側から交換可能なモノリシックマイクロチャンネル冷却器組立体（例えば、ＬＥＤパッケージ３１８の一部）へボンドされているフレックス回路組立体内に囲い込まれているカソード層へ電流を担持すること、（ｉｉ）ＬＥＤパッケージ３１８をランプ本体３０５へクランプすること、及び（ｉｉｉ）ＬＥＤパッケージ３１８をアノード本体３１５ａ−ｂへクランプすること、を包含する幾つかの機能を達成することが可能である。１実施例においては、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄはＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのカソード側へクランプダウンし、それにより低電気的接触抵抗を有する低インピーダンス電流の流れに対しての完全なるカソード電気経路を形成する。カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄは、垂直な（光学的出力軸に沿って）螺子３１９を介してのクランプ動作が、セパレータガスケット（Ｏリング）３１４を引き下げ且つ圧縮し且つＬＥＤパッケージ３１８の共通アノード基板をアノードバス本体３１５ａ−ｂと接触させ、それにより低電気的接触抵抗を有する低インピーダンス電流の流れのための完全なアノード電気経路を形成する、ことを可能とさせるためにスロット型とさせることが可能である。
特定の実現例に依存して、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄは、これらに制限されるものではないが、屈曲した金属箔、打ち抜いたスプリング箔、金属鋳造した３次元幾何学的形状体、フレックス回路及びワイヤ等を包含する種々の形式の代替的カソードコネクタ／本体で置換させることが可能である。
１実施例において、マイクロチャンネル冷却器組立体は、螺子でクランプ力を与えて、アノードバス本体３１５ａ−ｂ及び／又はランプ本体３０５へクランプされる。アノード組立体とカソード組立体との間に前述したＬＥＤパッケージ３１８を実効的にクランプし且つ挟持することが可能な潜在的にポリマーである螺子を抜くことによって、ＬＥＤパッケージ３１８又はその一部、例えばマイクロチャンネル冷却器組立体、を容易に除去し且つ交換させることが可能である。
マイクロチャンネル冷却器は、オプションとしてフレックス回路がボンドされる前に、又はオプションとしてフレックス回路がボンドされた後に、又はフレックス回路が鍍金される時に、スーペリアプレーティング（Superior Plating）ＵＳＡから入手可能なＥＮＥＰＩＧ又はＥＮＩＧプロセスで鍍金することが可能である。ＥＮＥＰＩＧプロセスに対する利点は、無鉛半田コンポーネントをそれに対してボンドさせることが可能であると共にＬＥＤカソードのフレックス回路カソードへのワイヤボンディグにおいて金ワイヤを使用することが可能であるという点において普遍的なコーティングであるということである。その他のコーティングも考えられる。注意すべきことであるが、金を包含する層を有する全装置（ＬＥＤボンドパッド以外）の区域がＬＥＤボンドパッドへ走行するワイヤの反対端において見られるフレックス回路の上部導電性物質層上に見られるに過ぎないことは望ましいことである。幾つかの実施例において、マイクロチャンネル冷却器組立体及びアノード本体３１５ａ−ｂは、カソードワイヤが通過するためのクリアランスホールを有している場合があり、且つカソードワイヤはカソードバスバー３０４ａ−ｂ内に所定位置に半田付けされるか又は止め螺子で螺子止めされる場合がある。クリアランスホールが不当に大きなものでなく且つそれにより全体的な組立体を不当に大きなものとさせることがないように、大きなコアで、高いストランド数で、最小の鞘厚さを有する小さなゲージのワイヤを使用することが望ましい。低電圧降下と小さな寸法との間の良好な妥協は、アルファワイヤ（Alpha Wire）及び／又はケーブルコ（CableCo）ＵＳＡから入手可能な１０５ストランド数の１０（１−３０の範囲）ゲージワイヤである。アノード及びカソード部品は低接触抵抗のために鍍金させることが可能である。又、いずれかの接触表面に対してベアの銅が選択される場合には、石油を基にしたゲルを使用することが可能である。
現在の例においては、アノードクロスプレート３７６が、アノードバス本体３１５ａ−ｂの端部における螺設孔内に挿入されている好適には金属製の螺子を介して、アノードバス本体３１５ａ−ｂに固着されている。代替的に、交換可能性及び／又は取り外しの容易性に関心が無い場合には、この様なコンタクトは半田付けとすることが可能である。この代替例は、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄのＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂまたはフレックス回路（不図示）のカソード層のいずれかとのインターフェース等のここに記載したその他の装着メカニズムの文脈において考えることが可能である。同様に、カソードクロスプレート３７５は、電気的短絡を防止するためにアノードバス本体３１５ａ−ｂとカソードクロスプレート３７５と間に空隙を与えるために、夫々アノードバス本体３１５ａ及び３１５ｂの端部を多少越えて延在しているカソードバスバー３０４ａ−ｂへ固着（例えば、金属製螺子で）されて示されている。
１実施例において、幾つかの理由のために、クロスプレート３７５及び３７６とランプ本体３０５との間に空隙（不図示）が設けられている。第１に、１実施例において、アノードバス本体３１５ａ及び３１５ｂ、ＬＥＤパッケージ３８１の共通アノード基板、フレックス回路（不図示）のカソード層、及びカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄが、クランプ又はピンチ作用を介して種々の電気的接触（アノード対アノード及びカソード対カソード）を形成するために相乗的態様で作用する。その結果、クロスプレート３７５及び３７６がランプ本体３０５と接触することとなると、それらはカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄの本来の予備負荷機能をアンロードすることが可能である。第２に、ランプ本体３０５が熱的伝導性であり且つ熱的伝導性物質が時折導電性でもあることが望ましい（例えば、ポリカーボネート又はＰＰＳ又は銅、ステンレススチール、又はアルミニウム等の基礎となる金属物質等のポリマー樹脂中の導電性グラファイトフィラー）。そうであるから、クロスプレート３７５及び３７６の間の空隙はこの様な実施例においての短絡を防止すべく作用する。代替的実施例において、ランプ本体３０５は熱伝導性で且つ電気的に絶縁性である場合があり、例えば、クールポリマーズ（Cool Polymers）ＵＳＡから入手可能なＤ５５０６液晶ポリマー（ＬＣＰ）充填型電気的絶縁性ポリマーがある。
代替的に、クロスプレート３７５及び３７６は、応力緩和目的のために、ポリマー螺子でランプ本体３０５へ取り付けるか又は固着させることが可能である。付加的に、組立ての容易性のため及び製造において積み重ねられる寸法的トリランスを考慮するために、糊手段及びシムの使用が考えられる。
注意すべきことであるが、ランプ本体３０５（実際にそれが導電性である場合）は共通アノード基板層３１７と接触しているという事実を認識すべきである。そうであるから、例えば、異なる電気鍍金電位が直接接触するか、又は近接する場合か、又は流体の流れを介して間接的に接触する場合でも、電気化学的（例えば、ガルバニー電気の）腐食に遭遇する場合がある。従って、共通アノード基板層３１７用に使用される物質及びランプ本体３０５の熱伝導性を容易とさせるために使用される物質は注意して選択されるべきである。１実施例において、銅アノード基板層３１７はランプ本体３０５のグラファイトフィラーと対構成とされる。本体３０５がアルミニウムであり且つアノード基板層３１７が銅である場合には、それは、例えば、莫大な腐食問題を提起することとなる。
ランプ本体３０５に関しては、注意すべきことは、高いアスペクト比及び深く狭い主要ランプ本体冷却用流体チャンネル３６０及び３６１に起因して、射出成形が最も実際的な製造手段であるかもしれないが、ランプ本体３０５の外側表面のドラフティング（drafting）即ち抜き勾配は、低電気接触抵抗を与えるために好適にはゼロ又は９０度の角度でアノードバス本体３１５ａ及び３１５ｂが共通アノード基板層３１７と接触する電気的接点の直交的性質と干渉する場合がある（即ち、２つの直交する滑らかな表面（プレート対プレートの接触）対角度を付けて合流する２つの表面（鋭利な端部対プレートの接触）。
１実施例によれば、金型内金型技術を使用して（内側金型の各半割りはモジュール型手動装填側部を有している）、内側金型はランプ本体３０５の外側エンベロープ（envelope）及び／又は特徴を画定するために使用される。これら２個の半割りが引き離される場合に、ランプ本体３０５は抜き勾配の必要性無しにエジェクトされ、それにより、抜き勾配角度の欠如に起因して、所望のバリ及びアノードバス本体３１５ａ−ｂ、共通アノード基板層３１７及びカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄの平行及び／又は直交する装着を可能とさせる。２部構成の結果として抜き勾配に対する必要性が除去されており、そのことは、表面積を５０％だけ減少させ且つ金型の剛性を倍加させ、２個の金型半割りを引き離すことを可能とさせ且つ、数ある要因の中で、従来の単品金型と比較してエジェクト期間中の表面抗力が５０％減少されているので、金型内に抜き勾配が無いという事実にも拘わらずに、ランプ本体をエジェクトさせることが可能である。熱伝導性ポリマーが意図される場合には、その高い熱伝導性は従来使用されているよりも一層高い金型表面温度を必要とする（樹脂が金型内において「フリーズ」しないように）。更に、マイクロチャンネル冷却器が潜在的に詰まることとなる場合があるので、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール動作期間中にフィラー粒子を冷却剤内に捨て去ることができないために、樹脂母材内にフィラー粒子を完全に閉じ込める樹脂リッチ「スキン」を形成させるために一層高い金型表面温度が望ましい。
従来の射出成形プロセスを使用する場合の別の潜在的な問題は、深く且つ幅狭で且つ高いアスペクト比の主要インレット及びアウトレットランプ本体の冷却流体チャンネル３６０及び３６１が、主要インレット及びアウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０及び３６１を画定するために使用される金型の薄い平行プレートを曲げることとなる場合があることである。この問題は、１実施例においては、該チャンネルを形成（画定）する金属プレートを曲げる（変形）しないようにバランスさせた複数点注入流れ及び圧力が関与する垂直射出成形プロセスを使用することによって独特に対処される。
１実施例によれば、カソードケーブル２０５、アノードケーブル２０６、カソードクロスプレート３７５、及びアノードクロスプレート３７６から応力を除去するために２部歪緩和クランプ３０６を使用しているが、その理由は、これらのコンポーネント上の歪みは、そうでなければ、壊れやすいＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂへ伝達されるからである。
暫時カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄに戻ると、１実施例において、ベリリウム銅又はその他の導電性金属波状ストリップをカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄとＬＥＤパッケージ３１８のマイクロチャンネル冷却器組立体の電気的に分離したカソード箔の上部表面との間位置させて、これらのコンポーネント間にスプリング型作用を与えることが可能である。このことは、実効的に、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄを該箔へクランプさせる好適には０−８０個の螺子に対する必要性を打ち消すこととなる。その代わりに、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄ及びＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂを介してランプ本体３０５内への直交螺子は、該スプリングを平坦又はほぼ平坦とさせ、従って１個の螺子が少ない状態で低電気的抵抗接続を与えるために、下方向への力が一時的に供給される場合には、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄを所定位置にクランプさせることが可能である。これと同じか又は実質的に同様の概念をランプ本体３０５の裏側に最も近いアノードバス本体３１５ａ−ｂのアノード端部上で使用することが可能であるが、実質的にモノリシックな波状ベリリウム銅又はその他の導電性物質を考慮する場合がある。アノードタイバーは該ＰＣＢの周りを取り巻き且つ螺子を受け付けるために直交スロットを有することが可能である。半田又は導電性接着剤は常に考えられるが、それらは修復の容易性に影響を与えることとなる。注意すべきことであるが、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂをランプ本体３０５の側部に固着するか又はクランプさせることにより、このことは、好適には、それらのコンポーネントを優れた熱的連通状態に結合させ、それにより流れる冷却剤がＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂを冷却することを可能とさせるが、１実施例においては、約０．５−１Ｗ／ｃｍ２±の廃熱散逸条件を有することとなる。９０％効率を超える超高効率スイッチング電子的ＳＭＤコンポーネントが望ましい。１実施例において、深く高いアスペクト比の冷却剤チャンネル３６０及び３６１は相乗的に表面積を付加してＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂを冷却するために必要な熱伝達係数を低下させる一方、同時に、マイクロチャンネル冷却器４１０を介しての流れをバランスさせるために十分な水力抵抗を付加している。ランプ本体３０５の薄い壁は、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂと冷却剤の流れとの間の熱抵抗を低下させるばかりか、フレックス回路５１０のカソード箔層５１３が長さにおいて一層短い（マイクロチャンネル冷却器４１０の端部からワイヤボンド近くの端部に対して測定）ものとさせることを可能とする。
更に、リーニエイジ（Lineage）ＵＳＡは、プラチナ格付け伝導冷却型１０００Ｗ電源を２０１１年に市販している。これらの電源は９５％効率で、且つ、原理的に、廃熱を除去するために何らの冷却水を必要とするものではなく、自然対流が使用されるに過ぎない。最後に注意すべきことであるが、約１１００Ｗで約１２Ｖのパワーワン（Power-One）フロントエンドＡＣ／ＤＣ電源が使用される場合には、約１３６個のＬＥＤ（例えば、セミエルイーディ（SemiLED）の約１．０７×１．０７ｍｍＬＥＤ）を包含する約８０ｍｍＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール当り該ユニットの２個を使用することが可能である。
本発明の実施例によれば、ＬＥＤパッケージ３１８又はマイクロ冷却器組立体をＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂに対して半田付けしないことが望ましい。何故ならば、この方法はモジュール化を減少させ且つ集積化を増加させ、その正味の結果として、サブコンポーネントの修復性又は置換性を減少させるからである。１例としてのみであるが、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの内の一つが故障した場合には、前述した如くに、好適には射出成形したか又は機械加工したポリマー（ナイロン、ＰＥＥＫ、トルロン）螺子を単に抜いて、且つ修復したか又は新たなボードと置換させることが可能である。以下に更に説明する如く、マイクロ冷却器組立体へ好適には直接的にボンドされるＬＥＤパッケージ３１８に対しても同じことが言える。
ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の種々のコンポーネントの組み立てに関連して、好適であるが非制限的な例においては、光出力の方向に面している（即ち、マイクロ冷却器組立体のアノード側に面している）ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの端部内に０−８０個の螺子穴を配置させることが可能である。第２に、小さな爪形状をしたカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄは、好適には、銅又はアルミニウムの構成（且つ、機械加工されているか、鋳造されているか、又は打ち抜き加工されている）で且つ集合体内においては、ＬＥＤアレイ方向の長手軸においてほぼ同じ寸法のものである（個別的に、分離されたＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂ及び／又はフレックス回路セグメントのほぼ同じ長さ）。ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂがマイクロチャンネル冷却器のアノード張り出し側部に対してしっかりと押し当てられ、次いで、ランプ本体３０５の側部へ別々の螺子で所定位置に螺子止めされる場合には、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄは突出するカソードフレックス回路セクション上に配置され、且つカソード爪３２０ａ−ｂ及び３２１ａ−ｂの直交表面はＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのカソードパッド上のそれらの夫々の位置にわたり配置される。次いで、０−８０個のポリマー螺子（又は非導電性ポリマースリーブ及び／又はワッシャーと共に金属螺子）が、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄを介して、ＬＥＤパッケージ３１８（例えば、マイクロチャンネル冷却器／フレックス回路組立体を含んでいる）を介して、且つ（ランプ本体３０５の上部光射出方向）において螺子穴内に配置され、且つプリセットトルク発生スクリュードライバユニットを使用して締め付けられる。どの実施例も、非導電性ポリマースリーブ及び／又はワッシャーと共に金属螺子か、又はポリマー螺子を使用することが可能である。同じ理由により、非導電性螺子又はポリマースリーブ及び／またはワッシャーが使用される場合があり、フレックス回路５１０のカソード層５１３は、いずれかの層の電気的短絡を回避するために金属螺子との接触を回避するために引き戻される場合がある。金属螺子はアノード層及び／又はカソード層と接触しかつそれらの間で電流を担持することが可能である。
使用される場合には、ポリマー螺子（クラフテック（Crafteck）ＵＳＡにおいて機械加工させるか又は鋳造させることが可能）は、次いで、締め付けられ、そのことは、マイクロチャンネル冷却器及びＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのアノード表面、及びフレックス回路カソードセグメントの適切なカソード表面位置及びカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄ及びＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂ上のパッドの間に非常に低い電気的抵抗の接触を形成する機能を完結する。注意すべきことであるが、上述した螺子止め及び／又は固着操作の殆ど又は全ては、好適には低溶融温度半田又は糊又はその他の固着手段によって達成させることが可能であるが、修復可能性の容易性の目的のためには、本発明の種々の実施例の文脈における固着手段として螺子が記載される。更に意図されていることであるが、スロットの各側部がマイクロチャンネル冷却器／フレックス回路の突出部を受け付けるようにＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂ内にスロットを配置させることが可能である。フレックス回路の該突出部はこれらのスロット内に挿入され且つ好適にはＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂが好適にはランプ本体３０５の側部に螺子止めされた後に所定位置に半田付けされる。更に注意すべきことであるが、ベリリウム銅等の導電性物質から構成されたスプリングコンタクトを前述した調節可能カソード爪の代わりに好適に使用することが可能である。
図４Ａ−Ｂは、図２ＡのＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の本体３０５の上部部分及び反射器２０１の下部部分の拡大した断面図を与えている。これらの図において、ＬＥＤアレイ３３０及び共通アノード基板層３１７の種々の側面が明らかなものとなる。更に、これらの図において、セパレータガスケット３１４が複数個のＯリング４２０から形成されていることが図示されており、且つＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの好適な多層構造が目視可能となっている。
以下に更に詳細に説明する如く、１実施例においては、マイクロチャンネル冷却器４１０は共通アノード基板層３１７を与えている。１実施例によれば、マイクロチャンネル冷却器４１０は、その中に種々の主要インレット／アウトレットマイクロチャンネル４１１及び内部マイクロチャンネル（不図示）をエッチング形成した箔層（不図示）へ拡散結合させた熱拡散層（不図示）を包含している拡散結合させエッチングした箔マイクロチャンネル冷却器である。マイクロチャンネル冷却は境界層が圧縮される層流成分を有しているが、本発明の実施例においては、エッチングした冷却剤の流路形状及び／又は方向変化から衝突冷却（例えば、乱流）が発生する場合がある。例示的なマイクロチャンネル冷却器は米国特許第７，８３６，９４０号に例示されており、該特許を全ての目的のために引用によりここに取り込むこととする。ここに記載する冷却条件に適うマイクロチャンネル冷却器はマイクロクーリングコンセプト（Micro-Cooling Concepts）ＵＳＡから入手可能である。当業者が理解するように、種々のその他の冷却手法を使用することが可能である。例えば、マクロチャンネル冷却及びその他の乱流冷却経路（例えば、衝突、ジェット衝突）又は２相／核沸騰（又は何らかの結合）、及び冷却手法が考えられる。
本発明の種々の実施例によれば、一つの目的は、ＬＥＤアレイ３３０の端部から端部へ比較的等温状態を形成し且つ維持することである（例えば、接合温度が約±１℃内で且つ概略的に最大平均接合温度が約４０℃（３０−２００℃の範囲）である）。この目的を達成するために、本発明の実施例は、前から後ろへ、上から下へ、端部から端部へ及び／又は側部から側部へマイクロチャンネル冷却器４１０を介しての冷却剤の長さをバランスさせることを試みる。代替的実施例においては、その流れは設計の必要性を受け付けるためにバランスさせるか又は不均衡とさせる場合がある。冷却剤は、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤの底部表面及びその下側に関して、垂直、水平、直交、平行等から選択される事実上任意の方向にマイクロチャンネル冷却器４１０の内部主要及び二次チャンネル（不図示）を介して流れることが可能である。チャンネルの配向を記載する別の態様は、ＬＥＤの底部表面に対して実質的に平行である（殆どのＬＥＤにおいて）ＰＮ接合面に関してである。
同様に、内部主要及び／又は二次チャンネルは、ＬＥＤ（又はＬＥＤのＰＮ接合）の底部の配向に関して、垂直、水平、直交、平行、対角線状、角度、バイパス、部分的バイパス等又はそれらの任意の結合から選択される事実上任意の配向のマニフォールドで相互接続させることが可能である。冷却剤の全て又はほぼ全て（ほぼ１００％）が、究極的に、主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０の上部部分（例えば、主要インレットマイクロチャンネル冷却器冷却流体チャンネル４３０ｂ）から、マイクロチャンネル冷却器４１０を介して、主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１の上部部分（例えば、主要アウトレットマイクロチャンネル冷却器冷却流体チャンネル４３０ａ）へ、ＬＥＤアレイ３３０及び／又はマイクロチャンネル冷却器４１０の長軸に対して直交即ち垂直である方向に、流れることが望ましい。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０は、エロージョン即ち侵食を著しく減少させるようなレベルへ流速を減少させるためにＣＦＤによって最適化された流路を使用する。１実施例において、約２メートル／秒の冷却剤速度がチャンネルのエロージョンを減少させるために望ましい。エロージョンの可能性を更に除去するためにチャンネル基板に対してセラミック物質を使用することが可能である。
先に説明した如く、主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０及び主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１は、エッチング形成した箔内部マイクロチャンネルを介して一様に冷却剤が流れるように寸法設定され、従って、好適には、冷却剤のほぼ全てが究極的にＬＥＤアレイ３３０の長軸に対して実質的に垂直な方向に走行することとなり、その場合に、主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０において開始する冷却剤の任意の与えられた分子は究極的に主要アウトレットランプ本体冷却流体チャンネル３６１内に入り、従って、基本的に、冷却剤の各分子は、究極的には、それがマイクロチャンネル冷却器４１０をトラバースし且つＬＥＤの下側を流れる場合に、ＬＥＤアレイ３３０の長軸に対して実質的に垂直（ＬＥＤアレイ３３０の短軸に対して実質的に平行）に流れる。主要インレットランプ本体冷却流体チャンネル３６０を非常に狭く（例えば、約１−４ｍｍ且つ好適には約２．３ｍｍ）広く且つ非常に深く（例えば、約１−１０，０００ｍｍ且つ好適には約１００ｍｍ）とすることによって、結果的に得られる水力抵抗は、それらが主要、クロス、二次、マニフォールド等のチャンネルの何れかであるかに拘わらずに、マイクロチャンネル冷却器４１０の内部チャンネルの実質的に全て又は殆どを介してのバランスした流れという観点において一様なマイクロチャンネル流れとすることに貢献する。理解すべきことであるが、これらのチャンネルは、湾曲、Ｓベンド、乱流用の突起を有することが可能であり、且つ、多分、ＬＥＤアレイ３３０の短軸に実質的に横方向又は平行である方向にＬＥＤアレイ３３０下側の空間をトラバースする場合に、狭くなり且つ広くなり及び／又は深くなる場合がある。任意の与えられたマイクロチャンネルのオリエンテーション即ち配向は、ＬＥＤのＰＮ接合の配向に関して任意の配向（且つ流れ方向）とすることが可能である。
以下に更に詳細に説明する如く、複数のＬＥＤ又はレーザーダイオード等の複数の発光装置からなるＬＥＤアレイ３３０は、マイクロチャンネル冷却器４１０に装着されている。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器の長さに沿ってのＬＥＤの数の範囲は２−１０，０００個であり、且つ各ＬＥＤの寸法は約１．０７、１．２、２、４平方ｍｍ（即ち２×４ｍｍ）であり、０．１−１００ｍｍの範囲である。長さに対する幅のアスペクト比は、好適には、約１：６８乃至１：２００であるが、その範囲は１：１０−１：１，０００とすることが可能である。注意すべきことであるが、該ＬＥＤアレイは、高アスペクト比ではない場合があり、且つ実質的に正方形、実質的に矩形、実質的に円形又はその他の幾何学的形状である場合がある。例示的なＬＥＤはセミエルイーディ（SemiLEDs）ＵＳＡから入手可能である。セミエルイーディのＬＥＤは独特の（しばしば鍍金した）銅基板を有しており、それは有益的に銅（又はセラミック）マイクロチャンネル冷却器４１０へボンドされており、それによりこの高熱伝導物質の熱的及びコスト的有益性を維持している。１実施例によれば、使用されるＬＥＤの寸法は１．０７×１．０７平方ｍｍで且つＬＥＤアレイ３３０は６８個のＬＥＤの長さ×２個のＬＥＤの幅のアレイを有している。
本発明の１実施例において、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤは、好適には共通アノード基板上において、実質的に電気的に並列に配置されており、又は少なくとも２個のＬＥＤを並列に有している。これは非常に熱的に効率的な接続態様である。何故ならば、直列形態又は直列／並列形態において必要とされるような電気的分離の目的のためにＬＥＤのベースと基板との間に熱的に邪魔する誘電体層が付加することが必要ではないからである。しかしながら、注意すべきことであるが、純粋に直列構成又は直列／並列構成のみならず、これらの形態の内のいずれも種々の実施例において考慮することが可能である。誘電体層は全体的な熱抵抗に対して実質的に付加するものであり、それにより装置の接合温度を上昇させ且つ出力パワー及び／又は効率に悪影響を与えるものであるが、数ミクロン以下の厚さの程度の非常に薄い誘電体層を原子層付着等の手段によって成長させることが可能であり且つ直列／並列型構成における電気的分離の目的のために銅等の物質の上に非常に低い熱インピーダンス層を与えることが可能であることが意図される。この誘電体は酸化物、窒化物、炭化物、セラミックス、ダイアモンド、ポリマー（ＡＬＤポリイミド）、ＤＬＣ等からなるグループから選択することが可能である。
本発明の種々の実施例によれば、一つの目的は、該ＬＥＤのエピタキシャルＰＮ接合の間に非常に低い熱抵抗を維持することであり、即ち、好適にはベアのダイの少なくとも底部において、約０．０１５Ｋ−ｃｍ２／Ｗであるが、その範囲は０．００１０−１５Ｋ−ｃｍ２／Ｗの範囲で、しばしば約０．０２４Ｋ−ｃｍ２／Ｗである。金属、誘電体、セラミック、またはポリマー層のいずれかからなる箔、ボンドパッド、トレース等の非常に薄い層が考えられるが、これらの付加的な層から発生する熱抵抗における増加に起因して最適なものではなく、それは不可避的に接合温度の増加を発生させ、それに対応して効率を減少させる。一層厚いＮ又はＰキャッピング層などのエピタキシャル構成体成長及びデザインと関連する電流ドループ（droop）を減少させる種々の手段、及びオランダのフィリップス及びＵＳＡのＲＰＩ及びその他によって寄稿されている最近出版された科学雑誌（例えば、Rensselaer Magazineの「新しいＬＥＤが「ドループ」を落とす（New LED
Drops the "Droop"）」、２００９年３月、及びCompound Semiconductor Magazineの「ＬＥＤドループ：欠陥が主役を演じるか？（LED Droop: Do Defects Play A Major Role?）、２０１０年７月１４日、これら両者は全ての目的のためにここにその全てを引用により取り込む」において見られるその他の技術水準手段（例えば、非放射性再結合中心を減少させる新しい量子障壁設計、等）を使用することが可能である。
そうであるから、種々の実施例によれば、極めて低い熱抵抗経路がＬＥＤ接合とエッチングした（例えば、化学的にエッチングした）箔層であって好適には化学的にエッチングしたマイクロチャンネル内に流れる液体を包含している箔層との間に存在している。何故ならば、該ＬＥＤは直接的に装着されており（好適には、２．５ミクロン厚さのＳｎＣｕ半田）、且つ熱拡散器（使用される場合）及び箔層は薄く、且つそれらは、好適には、中間に介在する誘電体層を加入させるものではないからである。マイクロチャンネルの製造においては、その他のエッチング又はリソグラフィー又は機械加工プロセスも考えられる。
１実施例によれば、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤは、例えば、該ＬＥＤの底部表面へ好適には予め適用された（例えば、スパッタ付着手段によって）薄い予めスパッタした半田層を除いて、該ＬＥＤとマイクロチャンネル冷却器４１０との間に直接的にボンドされている（即ち、実質的に中間に介在する層（バルク物質、箔、薄膜、又はその他の物質であるかに拘わらずに）は存在しない）。
以下に更に詳細に説明する如く、セパレータガスケット３１４は、本体３０５に対する共通アノード基板層３１７を封止し且つ又ＬＥＤアレイ３３０直下を冷却剤が実質的にバイパスすることを防止するために、１個又はそれ以上のＯリング４２０によって形成することが可能である。この図及びその他の図において、Ｏリング４２０ａ−ｃは圧縮されているように見えないが、実際には、それらは、事実、圧縮されて冷却剤がチャンネル間を又は外部環境内へバイパスすることを防止するそれらの意図されている機能を実施する。本例においては、セパレータガスケット３１４は、実質的には、マイクロチャンネル冷却器（垂直方向に層化されているか又は水平方向に層化されているかに拘わらず）の拡散ボンドした箔層（不図示）の底部表面（発光方向と反対側）に対して実質的に平行であり且つ同じｚ軸面内にある。セパレータガスケット３１４の断面は、好適には、実質的に丸く、軟デュロメータシリコーンから構成することが可能であり、且つアップルラバー（Apple Rubbber）ＵＳＡによって製造されている場合がある。代替的実施例においては、セパレータガスケット３１４の断面は正方形又は矩形とすることが可能である。
本例において例示されているＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂの多層構造に関連して、１実施例においては、約２．５ｍｍの厚さ（０．１−１０ｍｍの範囲）で且つコファン（Cofan）カナダから入手可能である銅（又はアルミニウム、ポリマー、充填型ポリマー等）メタルコアＰＣＢボードはＰＣＢの寸法を最小に維持するために多層で構成されている。高パワーＦＥＴ及びゲートドライバ及びインダクタ及び抵抗及びコンデンサを、該メタルコアに最も近い好適にはサーマゴン（Thermagon）ＵＳＡ層上に装着することが可能である。実際に、幾つかの実施例において、この層は、ＦＥＴ（又はその他のドライバＰＣＢコンポーネント）を取り付け螺子と共に又は無しでメタルコアに対して直接的に装着することが可能であるようにウィンドウ又はコアを形成することが可能である。ナショナルセミコンダクタＵＳＡから入手可能なＬＭ３４３４又はＬＭ３４３３（例示のみ）シリーズＬＥＤ共通アノードドライバもメタルコアに可及的に近くに装着させることが可能であり、そのことは、コンポーネントとメタルコアとの間に最小の誘電体層厚さ（存在する場合）が存在することを意味している。等しいトレース経路長及び近接したコンポーネント間隔も効率的な電気的及び安定な動作のために考慮されるべきである。カスタム巻したインダクタは、ドライブサブアッセンブリー効率を大きく増加させる場合がある。該インダクタは、マイクロ冷却器フレックス回路組立体の共通アノード基板３１７と共用されることが可能な好適な共通バックプレーン（例えば、アノード本体３１５ａ−ｂ）を具備する別個のドライバ（例えば、８個又は１５個）の磁界を有益的に互いに相互作用させて好適な定電流ドライバ（特に特別な回路の場合には、定電圧ドライバが考えられるが）の効率を増加させるような態様で配向させることが可能である。パルス幅変調（ＰＷＭ）定電流ドライバが考えられるが、ＰＷＭは、電流リップルに起因して高電流においてＬＥＤ寿命に悪影響を及ぼす場合があり、インダクタとＬＥＤとの間に付加的なコンデンサを考慮すべきである。代替的に、該インダクタ間又は配向及び間隔依存性である場合があるその他のコンポーネント間における不所望な相互作用を減少させるために該インダクタ間に鉄基板を配置させることが可能である。最も好適には、バシェイ（VASHAY）インドからの遮蔽型既成（ＯＦＳ）のインダクタを考えることが可能である。
ランプ本体３０６の後ろ側（主要入力水及び電気エネルギ入／出源が位置されている側）に関して、好適にはメタル（銅、アルミニウム、複合材）のＭＣＰＣＢコアは、ＡＣ幹線へ接続されている主要ＡＣ／ＤＣフロントエンド電源へ走行する該アノード用の単一ワイヤ接続のための空間及び／又は強力な装着プレートを形成するために、２個のＭＣＰＣＢ（コファンカナダから入手可能なメタルコアを具備するＰＣＢ）の間に螺子止め又は半田付けしたタイバー（即ち、アノードクロスプレート３７６）を有することが可能である。
１実施例において、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのメタルコアは、接地プレーンであるが、各ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂ上には１個を超える接地プレーンが存在する場合がある。そうであるから、該ＰＣＢの端部は、好適には、共通アノード基板層３１７の接地面に対してクランプ又は半田付けされる。このことは、好適には、共通アノード基板層３１７のアノード側がＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのアノード側（端部）と接触し且つ電気的通信状態にあることが可能であり且つ共通アノード基板層３１７のカソード側（例えば、上部箔層）が、好適には、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂと電気的通信状態にある個々のカソードセグメントの適切な上部カソード区域と接触し且つ電気的通信状態にあることが可能であるように、共通アノード基板層３１７が本体３０５の各側部から延在し、即ちハングオーバーすることを許容することによって達成される。
図５Ａ−Ｂは、ＬＥＤアレイ３３０及びその図２のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の共通アノード基板３１７とのインタフェースを例示する更なる拡大図を与えている。これらの図において、ＬＥＤアレイ３３０の高フィルファクタ、個々のＬＥＤの電気的結合、反射器２０１のベースのＬＥＤの表面に対する近接性、及びフレックス回路５１０の種々の層が明らかとなる。付加的に、これらの図において、マイクロチャンネル冷却器４１０の好適には垂直に配向した箔層を見ることが可能となる。
１実施例によれば、共通アノード基板層３１７は、ＬＥＤアレイ３３０からの熱を伝達するためのマイクロチャンネル冷却器４１０、集積化しエッチング形成したキャッピング層５２５、及びソリッドなキャッピング層５３０、を包含することが可能である。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０の幅は、ＬＥＤアレイ３３０よりも僅かに（例えば、約４００ミクロン（５０−２，０００ミクロンの幅）未満）一層幅広であるに過ぎない。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０の全幅は、ＬＥＤアレイ３３０の全幅の約１．２倍（１、１．１、１．３、１．４、１．５，１．６、１．７、１．９、２、２．１、２．２、２．３．２．４乃至２．５倍の範囲）である。本文脈において、コンピュータモデリングは、マイクロチャンネル冷却器４１０の全幅をＬＥＤアレイ３３０の幅のほぼ２倍（２×）の幅へ増加させることはピーク熱抵抗を約５％だけ減少させるに過ぎないことを示唆している。
マイクロチャンネル冷却器４１０は、マイクロチャンネル冷却器４１０の上部表面下側にヒートスプレッダー層５４０（熱拡散層としても知られている）（例えば、約１２５ミクロン厚さ（５００ミクロン未満から、２５０ミクロン未満、２００ミクロン未満、１５０ミクロン未満、１００ミクロンから、５０ミクロン未満、２５ミクロン未満への範囲））、複数個の主要インレット／アウトレットマイクロチャンネル（例えば、主要インレットマイクロチャンネル４１１）、及び種々のインレットマニフォールド通路、熱伝達通路、及びアウトレットマニフォールド通路、を包含することが可能である。顕著なことであるが、この文脈において、ヒートスプレッダー層５４０は、実際には、真の熱拡散を殆ど与えるものではないが、それは極めて短い熱拡散長さ（ＬＥＤの底部とマイクロチャンネル冷却器４１０の熱伝達チャンネル（不図示）の最近点と間の距離）を与える。例示的な熱伝達チャンネル、それらの配向、流れ方向及び寸法はここに引用により取り込む米国特許第７，８３６，９４０号によって与えられている。
マイクロチャンネル冷却器４１０の上部表面は、マイクロチャンネル冷却器４１０をＬＥＤアレイ３３０と結合させることを可能とする。主要インレットマイクロチャンネル（不図示）は、流体を受け付け且つそれを、熱伝達通路を包含するマイクロチャンネル冷却器４１０内の内部通路内へ指向させる形態とさせることが可能である。該熱伝達通路は、該流体を受け付け且つそれを該上部表面に対して実質的に平行で且つ種々の入力及び出力マニフォールド通路に実質的に垂直な方向に指向させる形態とさせることが可能である。アウトレットマニフォールド通路は、該流体を受け付け且つそれを一つ又はそれ以上の主要アウトレットマイクロチャンネル（例えば、主要アウトレットマイクロチャンネル４１１）へ指向させる形態とさせることが可能である。
１実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０は、その中に冷却剤の流れを指向させるための内部通路及びマニフォールドを形成した複数個のエッチング形成した箔シート（例えば、箔シート５２０）から形成することが可能である。本例において、モノリシックマイクロチャンネル冷却器本体は、結合したエッチング形成したキャッピング層５２５及びソリッドなキャッピング層５３０をマイクロチャンネル冷却器４１０に対して拡散ボンディングさせることによって形成される。図５Ａに示されている如く、エッチング形成したキャッピング層５２５の箔層は、好適には、マイクロチャンネル冷却器４１０の箔層５２０よりも一層厚い。１実施例において、キャッピング層５２５及び５３０は機械加工することが可能である。
拡散ボンディングした箔層（例えば、箔層５２０）が、図５Ａ及び５Ｂに例示される如く、それらの夫々の端部をＬＥＤの底部部分下側に位置させて、垂直方向に積層されている（且つ一体的に拡散ボンディングされている）実施例においては、該ＬＥＤは、好適には、垂直に配向されたマイクロ冷却器（スーペリアプレーティング（Superior Plating）ＵＳＡのＥＮＩＧまたはＥＮＥＰＩＧ等のプレーティング即ち鍍金を具備しているか又はしていない）、及び、好適には、垂直に敷設されエッチング形成し拡散ボンディングしたマイクロチャンネル冷却器を「挟持している」鏡像型（マッチング）マクロ冷却剤流れ及び／又は冷却剤指向用チャンネルを具備している２個の機械加工した純粋な（Ｃ１０１又はＣ１１０）銅ブロック、に対して直接的にボンドされている。各銅ブロック（それは拡散ボンディングした複数の箔からなる積層体又はソリッドのブロック内にあり且つそれ自身がそのような積層体又はソリッドのブロックからなることが可能）は、１ステップで、垂直に積層された箔マイクロチャンネル冷却器４１０の両側部に拡散ボンディングされる。換言すると、該箔層及びブロックは、好適には、全て１ステップで拡散ボンディングされる。その結果得られる積層体は、次いで、好適には、機械切削され、且つその組立体は、次いで、マイクロチャンネル冷却器組立体として言及することが可能であり、一方、該マイクロチャンネル冷却器組立体の一部は外側キャッピング層部分（５２５及び５３０）及びマイクロチャンネル冷却器部分４１０として言及することが可能である。マイクロチャンネル冷却器組立体（例えば、外側キャッピング層部分５２５及び５３０）は、好適には、機械切削プロセス前及び表面仕上プロセス（例えば、鍍金プロセス）前に、ドリル加工される。鍍金プロセスが、ＬＥＤ用の半田付け可能表面及び／又は好適なＬＥＤ上部側上のＬＥＤボンドパッドに取り付けるワイヤに対するワイヤボンディング可能表面を提供する目的のために使用される場合には、機械加工したポリマーパネルが好適には提供され、それは、マイクロチャンネル冷却器組立体を該ポリマーブロックに対してクランプさせ且つ溶液がマイクロチャンネルのＩＤ内に入ること無しに鍍金浴内に入れることを可能とさせるＯリング溝（好適には、同じ前述したセパレータガスケット／Ｏリング構成を使用して）を可能とさせる。このプロセスは、又、アノード及び／又はカソードバスバー３０４ａ−ｂを究極的に最終製品においてクランプ又は半田付けさせることが可能な領域において非腐食性表面を鍍金させることを可能とする。ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂは、又、腐食低下及び低電圧降下目的のために端部鍍金させることが可能である。
マイクロチャンネル冷却器組立体は、純粋な硬化させた銅（それは、グリッドコップ（Glidcop）よりも約１０％一層高い熱伝導度を有している）を箔層（例えば、箔層５２０）において使用することが可能であるように、クエンチング又はアニーリング又は析出硬化プロセスで処理することが可能である。純粋な銅は半田濡れ性を向上させる。
拡散ボンディングした箔層（例えば、箔層５２０）が水平に配向される実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０のマイクロチャンネルはＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ５３１）と同じ面内にエッチング形成させることが可能であり、従って主要インレット／アウトレットマイクロチャンネル（例えば、チャンネル４１１）は該箔層内にエッチング形成するか又は機械加工することも可能である。マイクロチャンネル冷却器４１０の内部マイクロチャンネルは、拡散ボンディングした箔層（例えば、箔層５２０）の全て又は実質的に全てを介して形成することが可能であり、全ての層を一緒にした厚さと実質的に同じ深さ及び／又はヒートスプレッダー層５４０において又はその近くで停止することが考えられる。
次に反射器２０１の位置決めに移ると、ポリイミド膜等の誘電体スペーサ層５１４が反射器２０１の底部表面とマイクロチャンネル冷却器４１０との間に位置されることが望ましい。このことは、該反射器をマイクロチャンネル冷却器４１０から熱的に且つ電気的に隔離させ、且つＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ５３１）からのワイヤ（例えば、ワイヤ５３０）が反射器２０１下側に適合し且つ該ワイヤの三日月形端部をマイクロチャンネル冷却器４１０へ直接的にボンドされているフレックス回路組立体５１０の一部である好適には銅を包含している鍍金した銅箔層５１３へ付着させるための空間を提供する。そうであるから、１実施例において、誘電体スペーサ層５１４は少なくとも該ワイヤ（例えば、ワイヤ５３０）と同じ厚さである。
タンピング装置（tamping tool）又はキャピラリー装置（capillary tool）を具備するデータコン（Datacon）、オーストリア、ＭＲＳＩ、ＵＳＡ等の自動化したダイボンダーを使用して、ワイヤループがフレックス回路５１０−ポリイミド／銅箔層（導電性回路物質層としても知られている）に対して実質的に平行（及び、多分、三日月形終端点前のポリイミド層の上の箔層に接触する）になるまで該ワイヤループを下降させる態様で該ワイヤ（例えば、ワイヤ５３０）を自動的に下方へ突き固め（屈曲）させることが可能である。平坦化させたワイヤはアノード表面又はＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ５３１）の端部に接触することは無く、そうでなければ、短絡が発生する可能性があるからである。その他の手動及び／又は自動手段を考えることが可能であり、例えば、該ワイヤの全てを１ステップでタンピングする１個の長尺のタンピング装置や、又はこのタンピングの目的のために誘電体コーティングを具備するか又は具備することの無い端部反射器自身を使用することが可能である。このワイヤ屈曲ステップの主要な目的は、該反射器を該ＬＥＤに非常に近接して配置させる（例えば、少なくともワイヤ直径以内）こと、及び反射器２０１に対しての磨耗、接触、又は短絡を除去することを可能とすることである。該反射器（例えば、反射器２０１）は、好適には、フォトピア（Photopia）、ＵＳＡ、等の非結像ソフトウエアツールで設計することが可能である。該反射器は、短乃至長作業距離、又は短乃至長被写界深度等の異なる動作特性を有することが可能である。１実施例において、反射器２０１の外部寸法は、異なるスタンドオフ距離に対して構成された反射器に対して実質的に異なるものではない。例えば、以下に更に説明する如く、２ｍｍ焦点面に対して最適化させた反射器は、５３ｍｍ焦点面に対して最適化させた反射器と実質的に同様の外部寸法を有する場合がある。
該反射器（例えば、反射器２０１）は、アクリル、ポリサルホン、ポリオレフィン等から射出成形することが可能である。該反射器は、ＤＳＩ、ＵＳＡ，における誘電体エンハンスメント層と共に、アルミニウム及び／又は銀でコーティングすることが可能である。該反射器は、又、ポリマー又は金属から押し出し成形することが可能である。注意すべきことであるが、端部同士を繋げて（長さ方向に直列的に）配置した複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の全ての全組立体の長さを走行するモノリシック反射器半割り２０１を使用することが可能である。これらの長尺反射器は、各端部において、研磨し且つコーティングした端部キャップを有することが可能である。それらは、６０６１Ａｌから５軸機械加工し且つダイアモンド及び馬の毛ブラシで研磨し（該反射器を研磨することが可能であるので）且つ、例えば、３９０−４００ｎｍにおいて最適化されている（全ての前述した例の如く）ＭｇＦ２又はＳｉＯ２の単一層でコーティングすることが可能である。
当業者は、ＬＥＤアレイ３３０、反射器２０１、及びランプ本体３０５の任意の長さを考えることが可能である。上述した如く、ランプ本体３０５の一つの可能な長さは約８０ｍｍである。このことは、側部ＬＥＤ当り約６０ ４５ミル又は側部ＬＥＤ当り６８ ４０ミルを可能とさせ、両方共、好適には、２つの行にあり、これら２つの行の間に約１５ミクロン（５−５０μｍの範囲）のギャップ（例えば、ギャップ５３２）が存在している。単一行又は複数行（１乃至ｎ）のＬＥＤも考えることが可能である。ＬＥＤアレイの長軸に沿って一層長い長さを有する矩形状ＬＥＤも考えられる。該長軸に沿って、２５ミクロン（５−１００μｍの範囲）未満のギャップ（例えば、ギャップ５３３）を有することが望ましい。１実施例において、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤ間の中心間距離は、隣り合うＬＥＤの結合端部長さよりも約１０乃至２０ミクロン一層大きい。
本発明の実施例は、フレックス回路５１０の金属層及び誘電体層の全体的なｚ軸積み重ね（−誘電体スペーサ層５１４）＋好適にはカソードフレックス回路層５１３上方を走行し且つ該ＬＥＤの好適には上部表面上のワイヤ（例えば、ワイヤ５３０）のボールボンド下側に示されている矩形形状のカソードワイヤボンドパッド５３４へ走行するワイヤ層厚さ（各ワイヤの直径又は各ワイヤストリップの厚さ）、を考慮に入れる。
１実施例において、全ｚ軸積み重ねは、該ＬＥＤ（ＬＥＤ層としても知られている）の厚さよりも著しく一層厚いものではない。本発明の種々の実施例において、該ＬＥＤ層は、約１４５ミクロンで、約２５０ミクロン以下、２００ミクロン以下、１５０ミクロン以下、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、乃至２５ミクロン以下の厚さの範囲にわたる厚さを有することが可能である。
フレックス回路５１０が誘電体スペーサ層５１４を包含している本発明の種々の実施例において、該フレックス回路層は、約７．８ミル以下の厚さで且つ約１２ミル以下、１０ミル以下、５ミル以下、乃至３ミル以下の範囲にわたる厚さを有することが可能である。
フレックス回路層５１０が誘電体スペーサ層５１４を排除している本発明の種々の実施例において、該フレックス回路層は、約５．３ミル以下の厚さで且つ約１０ミル以下、８ミル以下、２．５ミル以下、乃至０．５ミル以下の範囲にわたる厚さを有することが可能である。
１実施例において、全ｚ軸積み重ねは、該ＬＥＤ（ＬＥＤ層としても知られている）の厚さよりも著しく一層厚いものではない。本発明の種々の実施例において、該ＬＥＤ層は、約１４５ミクロンの厚さで且つ約２５０ミクロン以下、２００ミクロン以下、１５０ミクロン以下、１００ミクロン以下、５０ミクロン以下、乃至２５ミクロン以下の範囲にわたる厚さを有することが可能である。
１実施例において、光学的反射器２０１の底部表面は発光装置アレイ層の上部表面の上方のワイヤ層の約１−１．５×の間の厚さである。このことは、反射器２０１をＬＥＤの端部の何れか一方又は両方に対して又はＬＥＤの上部表面に関して近接して適合させることを可能とし、そのことは、反射器２０１によって制御される射出したフォトンの数を最大とさせ且つ反射器２０１の下側を通ることにより反射器２０１から逃げる射出されたフォトンの数を最小とさせることによって放射照度を維持する。ＬＥＤ端部近くに反射器２０１を位置させることは、高さの点において一層コンパクトな反射器とすることを可能とする。この反射器２０１のＬＥＤアレイ３３０に対して近接性は、又、フレックス回路５１０の一層短い長さのカソード層５１３を可能とさせ、そのことは、又、カソード層５１３を薄いものであるが尚且つ余り大きなインピーダンス無しで高い電流を担持することを可能とさせる。該反射器端部が該ＬＥＤから一層離れれば離れるほど、一般的に知られている光学的原理に従って該反射器は一層高いものとなることが必要である。僅かに一層高い放射照度を一層高い反射器で達成することが可能であるが、一層高い反射器は或る実現例においては非現実的なものである場合がある。
付加的に、フレックス回路５１０は製造するのに廉価であり且つ非常にコンパクトで且つ薄く、そうであるから、それはフレックス回路の金属層及び誘電体層の全体的なｚ軸積み重ねを最小とすることが所望される本発明の実施例の文脈における使用に対して良く適している。レンサー（Lenthor）、ＵＳＡ、は優れたフレックス回路製造業者の１例である。１実施例において、フレックス回路５１０は、マイクロチャンネル冷却器組立体を越えて延在する場合があり、且つ外部ＤＣ／ＤＣ及び／又は電源へ接続（直接的に又は間接的に）させることが可能である。
先に説明した如く、本発明の実施例の別の新しい特徴は、好適には拡散ボンディングした（該層は半田付け又は糊付け又はロー付けすることが可能であるが）好適にはエッチングした箔マイクロチャンネル冷却器４１０であって、好適には、冷却剤が、通常は長さ寸法ではなく幅であるアレイ３３０の最短寸法に好適には実質的に平行な方向にＬＥＤアレイ３３０を横断し且つ下側を、流れる長い長さにわたり好適には並置態様で配列されており且つ熱的平衡状態にある少なくとも１個の短い横方向にエッチングしたチャンネル（ＬＥＤアレイ３３０の短方向（幅）を横断して）の高いアスペクト比を有しているものの使用を包含している。１実施例において、多くのチャンネルが、該ＬＥＤの底部の下側で且つ銅の約１２５μｍ（１−１，０００μｍの範囲）＋該ＬＥＤを直接的に共通アノード基板３１７へボンドさせるために使用される半田の薄い層だけ分離されている該ＬＥＤの底部に非常に近くを流れることが可能である。付加的に、多方向にエッチングした冷却剤経路及び配向であって、個別的に又はグループ毎に、又内部熱伝達チャンネルとしても記載され、平行か、直交か、垂直か、又は水平かに走行し、接続されているか又は接続されていないか、又は両方の何らかの組合せであるか、ＬＥＤアレイ３３０及び／又は該ＬＥＤの底部表面の長さ又は幅又は両方の何らかの組合せに関して配向されているものを考えることが可能である。
１実施例によれば、内部熱伝達チャンネルは、（ｉ）ＬＥＤアレイの最短寸法における２個又はそれ以上の隣接するＬＥＤが各ＬＥＤ下側に実質的に独立した熱伝達チャンネルを有しており、且つ（ｉｉ）これらのチャンネル上方のＬＥＤは独立的に冷却される（即ち、各ＬＥＤ下側の複数のチャンネルからなるグループは実質的に互いに又は隣接するＬＥＤ下側の複数のチャンネルからなるグループと対流的連通を有するものではない）ように配向させることが可能である。従って、これら２個又はそれ以上の隣接するＬＥＤは、熱的直列状態ではなく熱的並列状態で冷却されると言われる。熱的直列は、実質的にＬＥＤ直下のチャンネルの流れが混ぜ合わされるか又は共通チャンネルが実質的に両方のＬＥＤ直下が流れる場合に、発生する。
マイクロチャンネル冷却器４１０の箔層（例えば、箔層５２０）は、好適には、実質的に銅であり、且つ該箔層は、好適には、高い拡散ボンディング温度に露呈された後にその剛性、強度及び形状を維持することが知られているＧｉｄｃｏｐとして一般的に知られており且つＡｌ２Ｏ３等の散在させたセラミック物質を約１％（０．１−１０％の範囲）有している。Ｇｉｄｃｏｐは現在入手可能であり、純粋な銅とほぼ同じ熱伝導度を有している。
１実施例において、マイクロチャンネル冷却器４１０は、直接的に装着されたＬＥＤアレイ３３０の高いアスペクト比に対応して高いアスペクト比装置として構成されている。即ち、冷却器４１０は、その幅よりもその上にＬＥＤアレイ３３０が装着されている一層長い長さを有しており、且つ冷却器４１０自身は、しばしば、並列して多数の短いチャンネルを有しており、且つ冷却剤が、しばしば、ＬＥＤアレイ３３０の幅に平行で且つ冷却器４１０の長軸（最長寸法）に対して直交する方向に流れ、且つそれは互いに並置した位置された１−ｎ個のチャンネルを有する場合がある。内部マイクロチャンネルは、ＬＥＤアレイ３３０の長軸（長さ）又は短軸（幅）の何れか一方又は両方に対して平行、直交、水平、及び／又は垂直であるマニフォールド形成するために配向させることが可能である。該箔（例えば、箔層５２０）を、好適には、互いに（又は共に）積層させ、各チャンネルは、好適には、箔が三次元空間において任意の垂直又は水平又はその他の角度又は回転位置の配向で積層されるか否かに拘わらずに、隣の箔の直上の箔上又は内に位置されているチャンネル下側に位置される。１実施例において、該ＬＥＤは、複数の拡散ボンディングし積層した箔積層体の端部（箔が垂直に積層される場合）によって形成される表面（例えば、共通アノード基板）へ直接的に装着される。該箔積層体の端部によって形成される表面が、ＬＥＤアレイ３３０がこの表面へ半田付けされる前に、最初に平坦状にされることが望ましい。
非制限的例として、該ＬＥＤは幅を横断して２個（１−ｎ個）の行に装着することが可能であり、且つ該行の長さに沿って５０乃至３００個のＬＥＤの程度とすることが可能である。該行の長さは、好適には、冷却器４１０の長さの約９０％（１０−１００％）又はそれ以上である。即ち、ＬＥＤアレイ３３０は、マイクロチャンネル冷却器４１０の端部に可及的に近くに延在する。この様に、直列的に接続したＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００において顕著な放射照度ギャップは存在しない。この形態は、短作業距離（約２ｍｍ）の文脈において最も有益的である。
ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤ下側を走行する内部マイクロチャンネルがほぼ等しい流れを有しており、従って該ＬＥＤの接合がほぼ同じ温度であることが望ましい。幾つかの特別の適用例に対しては、該流れはＬＥＤを一層高温又は低温で稼動させるために幾つかのチャンネルにおいては異なるものとすることが可能であり、特に該ＬＥＤが、短波長ＬＥＤが一層の冷却を必要とするように、異なる波長のものである場合にそうである。注意すべきことであるが、全ての実施例が冷却剤の１００％がマイクロチャンネル冷却器を介して走行してマイクロチャンネル冷却器の熱伝達チャンネルを介して走行することを必要とするものではない。
１実施例によれば、前述した所望事項であるマイクロチャンネルにおいてのほぼ等しい流れを達成するために必要とされるように、冷却剤の流れを向上させるか又は収縮させるために本体３０５のベース内に形成されている主要インレット及びアウトレット冷却剤マニフォールドを設計するために、好適には、ＣＦＤを使用する。ＣＦＤは、好適には、マイクロベクション（MicroVection）、ＵＳＡ、によって行われる。向上は、該チャンネルを一層深く又は一層広く又はその両方で構成することによって達成することが可能であり、又は、逆に、収縮は、該チャンネルを一層浅く又は一層狭く又はその両方で構成することによって達成することが可能である。これらの幾何学的形状の全ては、単純又は複合の輪郭又はほぼ直線又は鋭利な幾何学的形状を具備する三次元とすることが可能である。再度、マイクロチャンネルについて説明すると、それらは、該チャンネルとＬＥＤ接合との間の熱抵抗を減少させ及び／又は流れをバランスさせるために必要とされる、異なる寸法、形状、深さ、幅、数、中心間距離、エッチングした箔層の数、曲線、突起、くねり、ガルウイング等のものとすることが可能である。
図６は、本体３０５の上部部分の分解拡大斜視断面図であり、図２のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の種々の層を例示している。この例において、ＬＥＤアレイパッケージ３１８は、誘電体スペーサ層５１４、カソード層５１３、誘電体セパレータ層５１２、接着層５１１、及び共通アノード基板層３１７を包含している。フレックス回路５１０は、又、アノード層（不図示）を包含することが可能である。上述した如く、層５１１−５１４は、集合的に、パイララックス（Pyralux）ファミリーの製品からフレックス回路５１０を形成することが可能である。１実施例において、フレックス回路５１０は誘電体スペーサ層５１４を包含しない場合があり、該誘電体スペーサ層は、反射器２０１の底部表面へボンドさせるか又は該反射器の底部表面との間で自由浮遊状態であるか又はフレックス回路５１０の上部表面へボンドさせることが可能である。代替的実施例において、剛性フレックス又は剛性誘電体（例えば、ＦＲ４、セラミック、ガラス等）を具備する剛性回路がフレックス回路５１０を置換することが可能である。
１実施例において、誘電体スペーサ層５１４及び誘電体セパレータ層５１２は、ポリイミド（例えば、デュポン、ＵＳＡ、から入手可能なカプトン（Kapton））、ＰＥＮ又はＰＥＴ層を有している。カソード層５１３は、好適には、銅箔である。カソード層５１３及び誘電体セパレータ層５１２は、好適には、カソード箔及び誘電体の一体化層を形成する（それは、デュポン、ＵＳＡ、から入手可能なパイララックス（Pyralux）ファミリー製品において「無接着剤（adhesiveless）」として知られている）。上述した如く、ＬＥＤパッケージ３１８を形成するこれらの層は、カソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｂとアノード本体３１５ａ−ｂとの間に挟持されている。
一つの設計選択は、個々のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール（それは、直列アレイを形成する場合に、典型的に複数のランプを同じビン内に接続することを必要とする）のビン処理対複数のＬＥＤをＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール内にビン処理、することである。個々のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール内にビン処理する能力を有することは、個々のランプをビン処理する必要が無いことを意味している。上述した如く、ビン処理がＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００内で実施される１実施例において、フレックス回路５１０（例えば、電気的に分離された（セグメント化された）カソード層５１１、誘電体セパレータ層５１２、及び誘電体スペーサ層５１４、を有している）を使用して、潜在的に、ＬＥＤアレイ３３０の各ＬＥＤを個別的にアドレスするか、又は複数のＬＥＤからなる複数のグループをアドレスし、従って該ＬＥＤはＶｆ、波長、寸法、パワー等に対して１−ｎのグループでビン処理することが可能であり、それによりＬＥＤ製造業者がＬＥＤを供給するための要求を単に一つ又は数個のビンへ実質的に低下させる。１実施例によれば、該ビンは約０．１Ｖｆ以下、且つ最も好適には、０．０５Ｖｆ以下、又は更に０．０１Ｖｆ以下とすることが可能である。特定の実現例に依存して、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤは、単に１個又は２個の大きなＶｆビン内とすることが可能であり、その場合には該アレイ内の複数のＬＥＤからなる１個又は２個の長いストリップは実質的に同じＶｆビンからのものである。逆に、該ビンは０．００００１Ｖｆ程度の厳しいものとすることが可能である。この例においては、フレックス回路層５１０及び／又はＬＥＤドライバＰＣＢ３１０ａ−ｂのセグメント化を減少させるか又は更には除去することが可能である。このことは、大量及び／又は大きなＬＥＤチップが製造され且つ０．００１Ｖｆ以下に近いＶｆにおいて製造業者から入手可能な実質的な数のＬＥＤが存在している場合に、達成することが可能である。
しかしながら、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１５ａ−ｂ及びフレックス回路５１０のセグメント化は、Ｖｆ値によってビン処理する多数のオプションを可能とするか、又は全く無しである。本例においては、ＬＥＤアレイ３３０のＬＥＤは、それらを８個のフレックス回路セグメント（その内の４個は本図において見えており、即ちセグメント６１１ａ−ｄである）に位置決めすることによって８個の個別的にアドレス可能なグループに分割される。１実施例において、セグメント６１１ａ−ｄは、カソード層５１３をフォトリソグラフィーでパターニングし且つ該金属箔をエッチングして電気的分離トレース（例えば、電気的分離トレース６１０）を形成する。該ＬＥＤ下側の区域内の誘電体層５１２は、レーザーマシニング、ルーチング又はスタンピングによって除去される。
一般的に、最も適切なＵＶＬＥＤ波長は約３６０−４２０ｎｍの範囲内、且つ最も好適には約３９５ｎｍである。注意すべきことであるが、複数の波長の混合を各ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００において使用することが可能であり、且つより小さなグループ及び／又は個々のＬＥＤ又は両方の組合せを、フレックス回路５１０上のカソード層５１３（パターン形成した導電性回路物質層）の個々の導電性ストライプ（不図示）に対してワイヤボンディングすることによって個別的にアドレスすることが可能であり、該導電性ストライプ（導電性回路物質層）は、好適には、フォトリソグラフィーによって画像形成され且つ好適にはその下側のポリイミド（非導電性層で誘電体層としても知られている）でエッチングされる。
１実施例によれば、セパレータガスケット３１４（例えば、モノリシックＯリング４２０）は本体３０５内に機械加工又は成形された溝内に適合する。本例において図示されている如く、本体３０５内に機械加工された該溝（又はグランド（gland））形状は、角部においてタイトな半径を有しており且つ一部が長軸方向において該ガスケットの中間部を介して走行している「ｏ」として概略的に説明することが可能である。この好適には単一面のガスケット構成は、冷却剤用のマイクロチャンネル冷却器４１０のエッチングした内部通路が、実質的にＬＥＤアレイ３３０下側に位置する部分内においてのみ見られ且つ実質的にヒートスプレッダー周辺領域下側に当る区域回りの部分内には見当たらない独特の箔層構成によって可能なものとされている。このことは、好適にはモノリシックのマイクロチャンネル冷却器組立体の底部が平坦であり且つセパレータガスケット３１４用の溝を包含しているランプ本体３０５の係合部分に対して実質的に平行であることを可能としている。
上述したマイクロチャンネル冷却器組立体の周辺領域は、実質的に冷却剤流れ区域の外側に存在する領域として、及び／又は好適な「ｏ」断面シール下側に存在する領域として最も良く説明される。この構成の利点は、異なるｚ軸面を具備する複数のシール又は１個のシールが回避されるということである。基本的に、三次元（２個又はそれ以上の面上のｚ軸）形態のシールは必要とされない。というのは、より簡単な平面状の二次元（１つの面上のｚ軸）シールで十分だからである。拡散ボンディングした箔層（例えば、箔５２０）は、拡散ボンディング前に熱伝達通路でエッチングされるばかりでなく、主要インレット／アウトレットマイクロチャンネル（例えば、主要アウトレットマイクロチャンネル４１１）は本発明の１実施例においてエッチングすることが可能である。従って、マイクロチャンネル冷却器４１０を構成している箔５２０（例えば、２００ミクロン厚さ）と典型的に熱伝達通路（例えば、ソリッドキャッピング層５３０及びエッチングしたキャッピング層５２５）を具備することの無いマイクロチャンネル冷却器４１０の部分を構成している箔とが一体にボンドされる場合に、モノリシックのマイクロチャンネル冷却器組立体（マイクロチャンネル冷却器４１０を含む）が得られ、それは、好適なモノリシックマイクロチャンネル冷却器組立体と好適なモノリシックランプ本体３０５との間に存在する独特の形状をしたシールを圧縮させるために使用される平坦な底部を有している。
共通アノード基板３１７の上部表面に渡る場合があるオプションのモノリシックな拡散ボンディングしたヒートスプレッダー層（例えば、約０．５ｍｍ厚さ（０．１乃至１ｍｍの範囲））は図示していない。
図７は、図２のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の反射器２０１の上部部分の分解拡大斜視切断図である。１実施例によれば、反射器２０１は約ＬＥＤアレイ３３０の長さであり、好適には数ミル一層長く、且つ該反射器は端部キャップ２０７ａ−ｂを包含することが可能である。端部キャップ２０７ａ−ｂは、螺子及び／又は磁石（不図示）で反射器２０１へ取り付けることが可能である。
１実施例において、複数の８０ｍｍランプモジュールセクションを端部同士を合わせて配列させしかも反射器がモノリシックであり且つ複数の１−ｎ個の多分全てのランプモジュールを端部同士を合わせて取り付けた長さである等の非常に長い反射器を使用することが可能である。
注意すべきことであるが、複数のランプヘッドモジュールを包含するＵＶＬＥＤ硬化システムにおいて、反射器２０１は、ランプヘッドモジュール間の区域内、且つより特定的には、各隣接するランプヘッドモジュール上のＬＥＤアレイの夫々の端部の間に位置されている区域内、に位置されている複数のミニ反射器（以下に更に説明する）と関連して使用することが可能である。
１実施例において、現場で置換可能なウィンドウ３４０が反射器２０１の出力開口を被覆している。ウィンドウ３４０は、好適には、広角ＵＶ又は可視ＡＲコーティングを具備するほう珪酸ガラスから作られる。ウィンドウ３４０は、鉄を含むストリップ（例えば、ウィンドウマウンド３４１）がウィンドウ３４０の上部上に配置される場合には、１個又はそれ以上の磁石３４２で反射器２０１に取り付けることが可能である。磁石３４２は、好適には、反射器２０１内の対応するポケット３４２内に配置される。勿論、ウィンドウ３４０を反射器２０１へ取り付ける代替的手段も考えられ、例えば、９０度アングルバーがあり、その場合に、一部が該ガラスに取り巻き且つそれにクランプし、且つクランプ用表面に対して直交するスロット部分が反射器２０１の側部に位置されている螺子を包含している。１実施例において、ウィンドウマウント３４１は反射器２０１の上部表面内に凹設されてアライメント及びロケーションを提供する。幾つかの実施例において、ウィンドウマウント３４１は螺子で反射器２０１へ取り付けることが可能である。
１実施例において、複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の直列接続は、孔３４５内に直交して配向された（磁石３４２に関して）スチールピン又は磁石を包含することによって容易化させることが可能である。代替的に、該磁石又はスチールピン（不図示）はミニ反射器（不図示）内に位置させることが可能である。
図８は、端部キャップを除去した状態の図２のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の反射器２０１の拡大斜視図である。この図は、反射器２０１のモジュール性を例示することが意図されている。この例において、４個の螺子８１５の内の２個が示されており、それらは反射器２０１をランプ本体３０５へ取り付けている。単にこれらの螺子８１５を除去することによって、異なる光学的特性を具備する新たな反射器を反射器２０１と置換させることが可能である。現在の例において、一体的な射出成形した脚部（例えば、脚部８１６）をミニ反射器（以下に説明する）又は端部キャップに対するアライメント特徴として使用することが可能である。例えば、ミニ反射器が磁石を包含している場合には（それらの磁界が螺子８１５に関して適切に配向された状態で）、この様なミニ反射器を所定位置に配向し、整合させ、及び／又は保持するためにスチール螺子８１５を使用することが可能である。
又、ＬＥＤアレイ３３０に関しての反射器２０１のアライメントの容易性のために、該反射器の底部からマイクロチャンネル冷却器４１０内へ延在するか又はその逆である位置決めピン又は係合型雄／雌特徴部を使用することが可能である。これらのピン又は係合用特徴部は射出成形される反射器の一部とすることが可能である。
１実施例において、ピン８０５等の位置決めピンをミニ反射器又は端部キャップ反射器を整合させるために使用することが可能である。端部キャップ反射器を反射器２０１へ取り付けるために螺子８１０を使用することが可能である。
保護ハウジング２０２が示されており、それは、好適には、射出成形され且つ各半割りは他方の鏡像のものとすることが可能である。
図９は、本発明の１実施例に従う４個の相互接続したＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００ａ−ｄの斜視図である。１実施例において、各ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００ａ−ｄは、顧客のＵＶ硬化装置又はマシンと関連する共通の装着用レール（不図示）に装着すべく構成することが可能である。複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００ａ−ｄ（１乃至ｎ個の数）の直列で長さ方向の一体化を容易とさせるために、各ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００ａ−ｄの間の区域（例えば、被加工物表面上のミニ反射器部分９１０ａ−ｃ下側の区域）における基本的に認識可能な放射照度損失無しで被加工物上に基本的に連続したビームパターンを得るための能力を可能とするために複数のミニ反射器（例えば、ミニ反射器９１０ａ−ｃ）が設けられている。フォトンは任意の角度でＬＥＤを出ることが可能であるから、１個のフォトンが該ウィンドウから出る前に複数の直列接続されたＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの全長をトラバースすることは可能である。
ウィンドウ３４０は長さにおいて物理的なギャップ（例えば、４個の８０ｍｍ長ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００を仮定した場合に３２０ｍｍ毎）を有することが可能である。代替的実施例において、ウィンドウ３４０は８０ｍｍの長さとすることが可能であり、その場合には、３２０ｍｍにおいては３個のギャップが存在し、その各々は別個のミニウィンドウ（不図示）によって被覆させることが可能である。別個のミニウィンドウをこれらの物理的なギャップにわたり据え付けることが可能であり且つ磁石ストリップ（不図示）又はその他の機械的締着ストリップを介して取り付けることが可能であり、且つ塵埃又は異物侵入防止とさせることが可能である。その他の製造業者は屈折率整合流体又は接着剤を使用しているが、前述した如く、これらの物質（ショット（Schott）、ドイツ、及びダウ（Dow）、ＵＳＡから入手可能）は黄変又は劣化する場合がある。１実施例において、別個のミニウィンドウ及び反射性屈折率整合流体及び／又は接着剤の内の一つ又は両方を使用することが可能である。
主要反射器及びミニ反射器は、各主要反射器間を走行することが可能なそれら自身のミニスロット付きレールで且つ該ミニ反射器が該主要反射器の間で且つ該レールの下側で、互いに取り付けることが可能である。該主要反射器は、種々の適用例に対して考慮される該組立体内に存在する反射器半割りの最長部分として画定される。大判印刷及びフローリング用の長い組立体、及び外科用マスクコンポーネント接着剤硬化等の適用例に対する短い反射器が考えられる。
相互接続する複数のＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールに関連して、中間に介在する端部キャップを除去し且つミニ反射器（例えば、ミニ反射器９１０ａ−ｃ）をその代わりにＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール間に挿入して直列的に接続させる。ミニ反射器９１０ａ−ｃは、被加工物上に一様な放射照度パターンを形成し且つ直列接続されたＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００が使用される場合に被加工物上に投影されたビームの長さに沿ってのピーク放射照度において差異を発生させるような放射照度が欠如する区域を回避すべく作用する。このことは、有害な処理結果を有する場合がある。
ＬＥＤランプ間においてこの基本的に一様な放射照度を与えるために、幾つかの新しい手段を考えることが可能である。第１に、ランプ間の反射器端部キャップを除去することが可能である。２個のＬＥＤアレイ間の距離は約６ｍｍ、０．１−１００ｍｍの範囲、とすることが可能である。小さな約６ｍｍの反射器サブセクション（例えば、ミニ反射器９１０ａ−ｃ）を２個の主要反射器間に配置させることが可能であり、ミニ反射器９１０ａ−ｃは主要反射器と実質的に同じ形状を有することが可能である。上述した如く、ミニ反射器９１０ａ−ｃは、直交面（反対側の反射器半割りを横断して）及び／又は平行面（同じ側の反射器半割りと平行で且つそれらを一体的に接続すべく作用する）において、位置決め用のピン、螺子、タイバー、及び／又はビーム（不図示）を有することも可能である。所定位置に捩じ込まれる小さなタイバー（不図示）は、機械的剛性及びセパレータガスケット３１４又はＯリング４２０のローディングの目的のために、反射器半割り間に戦略的に配置させることが可能である。これらのタイバーは、使用される場合には、硬く、高弾性率物質でＬＥＤから射出されるフォトンに露呈される最小断面を有するものとすべきである。このことは、該タイバーが投影されたビーム及びその被加工物上での究極的な放射照度の一様性に与える場合がある何らかの影響を最小とさせる。何故ならば、射出されたフォトンの軌跡を中断したり又は阻止したりすることは実際的に可及的に避けたいからである。該反射器（例えば、反射器２０１）は、好適には、２個の別個の半割りであり、それらの研磨し且つ湾曲した部分を互いに対面させた状態でマイクロ冷却器組立体に取り付けられており、且つそれらは位置決め用のピンを有することが可能であり、且つ螺子取り付け（例えば、螺子８１５）での反射器の交換を容易である場合があり、従って、異なる光学的特性を具備する異なる反射器をランプ組立体間において容易に交換させることが可能である。代替的に、ミニ反射器９１０ａ−ｃは螺子無し（留め具無し）とすることが可能であり、且つミニ反射器９１０ａ−ｃを主要反射器２００ａ−ｄへ機械的に結合させるために磁石保持用円筒を使用することが可能である。付加的に、該ウィンドウを所定位置に保持する磁性（例えば、レーザー切断スチール）ストリップ（例えば、ウィンドウマウント３４１）は位置決めピン（不図示）を有することが可能であり、該位置決めピンは、該反射器の上部表面内にモールド成形させることが可能であり且つウィンドウマウント３４１内の孔を貫通し且つ該反射器全ての出力部分を基本的に連続的な直線状に位置決めさせるべく作用することが可能である。該ミニ反射器は螺子を介してランプ本体３０５へ取り付けることが可能である。
次に、図１０Ａ−Ｃに移り、ＬＥＤアレイパッケージ（例えば、フレックス回路（不図示）及びヒートスプレッダー層１０３０に結合されているＬＥＤアレイ１０１５）の代替的実施例について説明する。この代替的実施例は、就中、異なる幾何学的形状を有するコネクタでカソード爪３２０ａ−ｄ及び３２１ａ−ｄのピンチング／クランピング（pinching/clamping）機能を達成することが可能であることを例示するために与えられている。本例においては、カソードバスバー、例えば、カソードバスバー１０１０、及びモノリシックアノードランプ本体１０２０が、アノードヒートスプレッダー層１０３０及びカソードフレックス回路層１０４０を一緒にピンチング／クランピングしている。付加的に、孔、例えば孔１０５０、をこれらの層内に形成して、アノード及びカソードワイヤ１０５１をそれらを介して貫通させることが可能であり、又は誘電体スリーブを具備するか又は具備することの無い導電性螺子を設けることが可能である。
１実施例において、超並列で（例えば、ＬＥＤアレイの実質的に全てのＬＥＤが電気的に並列である）高電流密度のＵＶＬＥＤ（セミエルイーディ（SemiLEDs）、ＵＳＡ）を共通銅アノードプレート１０３０上に直接的に装着することが可能である。個々の又はグループのＬＥＤをフレックス回路（それは、Ｖｆ、パワー、波長等に対するビン処理条件に関して製造上の柔軟性を助長する）によってアドレスすることが可能である。高アスペクト比ＬＥＤアレイ（長さが幅よりも一層長く、そのことは狭く集中した出力ビームを可能とさせる）、高フィルファクタアレイ（それは輝度の保存を可能とする）、モジュール型マクロ反射器（それはマイクロ反射器よりも一層高い百分率のフォトンを制御し且つ近くから遠くの作業距離、パワー密度、及び被写界深度の適用例に対してエンドユーザ柔軟性を可能とする）。１実施例において、両面矩形状対向楕円反射器形状（その中心部分は入力及び出力アパーチャよりも一層幅広である）は非常にタイトにフォーカスしたビームを可能とさせる。
アノード基板１０３０は交換可能なランプ本体１０２０へボルト止めされており、該ランプ本体は、低熱抵抗に対して高い熱伝達効率を有する少なくとも１個の液体流れチャンネル（例えば、チャンネル１０４５）を有している（このことは、ＬＥＤを高フィルファクタアレイにおいて高電流で動作させることを可能とする）。付加的に、アノードプレート１０３０（サブマウントとしても知られている）が「クラムシェル（clam shell）」構成でランプ本体（下部ヒートシンクセグメントとしても知られており、それは機械加工するか又は射出成形することが可能である）へ取り付けられている（形成したＯリング（例えば、Ｏリング４２０ａ−ｃ）（アップルラバープロダクツ（Apple Rubber Products）、ＵＳＡ）を圧縮させることにより容易な封止手段を与えており且つ液体冷却剤はアノードプレート１０３０に親密に接触することが可能であるので低熱抵抗を与えている）。
個々のカソードバスバー（例えば、カソードバスバー１０１０）は、アノード基板１０３０を介してボルト止めされ、カソードフレックス回路１０４０と電気的接触を形成すると同時にアノード１０３０をランプ本体１０２０及び／又はアノードバスバーに対してきつく保持している（要するに、カソードフレックス回路１０４０を具備するアノードプレート１０３０は下部アノードバスバー１０３０と上部カソードバスバー１０１０との間に「挟持」され、尚、下部アノードバスバー１０３０は、実際には、ＬＥＤドライバボード（不図示）のアノード基板１０３０である）。
１実施例において、反射器１００１とカソードフレックス回路箔１０４０との間のカプトン（Kapton）（誘電体）スペーサ層は、ＬＥＤをカソード箔１０４０へ接続させるワイヤ（不図示）を下側に屈曲させ且つ長い（矩形形状の）反射器端部を「クリア」することを可能としている。それは、又、該反射器がアルミニウムであるか又は銀等の金属性コーティングを有している場合には、該反射器を電気的に絶縁し、複数のＬＥＤからなる複数のグループはＤＣ／ＤＣ電源（異なるＶｆビンに起因して異なるパワーで該複数のグループを駆動することを可能とする）の一部であるそれら自身のドライバチップ、例えばＬＭ３４３３（ナショナルセミコンダクタ、ＵＳＡ）によって電力が供給される。幾つかの実施例において、４−５Ｖ範囲で直接的にＡＣからＤＣ出力へ行く電源を考慮することが可能である。
１実施例において、著しい数のＬＥＤが直列に接続されるものではない（従って、単一のＬＥＤの故障がストリング全体を不能とさせることはなく且つ電気的に非効率的な負荷バランス抵抗は必要ではない）。アノードプレート１０３０の底部は冷却剤の流れ用の化学的にエッチングしたチャンネル１０４５を有しており（従って、低熱抵抗を可能としており）、チップの裏側（底部）上に無鉛（錫含有半田）を有することは簡単で且つ高い信頼性の蒸気相還流（vapor phase reflow）を可能としている（多数のＬＥＤがアノードプレート１０３０に一様にボンドされることを確保するために）。
１実施例において、該蒸気相還流プロセスは、蒸気相オーブンの使用が関与する。１実施例において、粘着性フラックス（インジウム（Indium）コーポレーション、ＵＳＡ，から入手可能なTack-Flux 7）を使用して、マイクロチャンネル冷却器組立体を蒸気相オーブン内に配置させる前に、ＬＥＤアレイのＬＥＤを所定位置に取り付ける。蒸気相オーブンは不活性液体を使用し、それは、加熱されると、蒸気の形態での非常に安定で一様な熱伝達媒体を形成する。この媒体は熱エネルギを非常に迅速に交換し且つこの加熱された蒸気を凝縮させることによってマイクロチャンネル冷却器組立体へ熱を伝達させる。マイクロチャンネル冷却器組立体が到達する最大温度は該不活性液体の沸騰点に結び付けられている。その沸騰点は半田溶融温度よりも一層高いものでなければならない。マイクロチャンネル冷却器組立体全体にわたり非常に等温の温度に到達し、それにより知られている最も信頼性があり且つ繰り返し可能な半田リフロー処理の内の一つを生じさせる。
モールド成形したポリマー螺子がカソードバスバー１０１０をアノードプレート１０３０／フレックス回路組立体１０４０における孔を介してアノード基板１０３０へ取り付けることが可能である（それにより、ポリマーの性質に起因して短絡の恐れを取り除いており、且つモールド成形の使用に起因して低コストである）。ＬＥＤへの電流を担持するために非常に柔軟性のあるウルトラ高ストランドカウントワイヤ１０１１（ケーブルコ（CableCo）、ＵＳＡ）を使用することが可能である(その際に、電気固有抵抗及び歪みを減少させている)。非常に柔軟性のある冷却剤配管をランプの反対端部におけるランプ本体１０２０（下部ヒートシンク）における孔内に配置させることが可能である（長手方向冷却剤流れ、コンパクトな組立体、及び低ストレス接続を可能としている）。
図１０Ｂは、本発明の１実施例に基くマイクロ反射器１００１を具備する図１０Ａの代替的ＬＥＤアレイパッケージを例示している。この図において、１個のカソードバスバー１０１０が除去されていて、カソードワイヤ１０１１が該組立体を介して上方に出てきており、除去したカソードバスバー（不図示）と接触することを示している。
図１０Ｃは、図１０Ａ及び１０Ｂのヒートスプレッダー層１０３０の底部側を図示した斜視図である。この図は、除去したカソードバスバー１０１０と、冷却剤の流れを流すことにより（例えば、冷却剤流れの乱流を介して）ヒートスプレッダー層１０３０を介しての熱伝達を容易とさせるためにヒートスプレッダー層１０３０の底部表面内にエッチングしたマイクロチャンネル１０４５と、を図示している。
次に、図１０Ｄを参照して、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール１０９９の代替的実施例について説明する。この代替的実施例は、就中、エッチングした箔シートマイクロチャンネル冷却器１０９８、ヒートスプレッダー層１０９０（約０．５ｍｍ厚）、アノードバスバー１０９１ａ−ｂ、カソードバスバー（例えば、カソードバスバー１０９４）、ランプ本体１０９５内の深く且つ長い主要冷却剤インレット及びアウトレットチャンネル１０９３ａ−ｂ、及び単一面セパレータガスケット１０９７、の代替的形態を例示するために与えられている。この例において、集積化したＬＥＤドライバを有するのではなく、ＬＥＤアレイ１０９６の複数のＬＥＤを個別的にアドレスするためにワイヤ（例えば、ワイヤ１０９２）が設けられている。代替的実施例において、該ワイヤはＬＥＤの個別的なグループをアドレスするために、フレックス回路（不図示）で置換することが可能である。
次に図１０Ｅ−Ｇへ移り、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール１０００の更に別の代替的実施例について説明する。本例によれば、「ｔ」形状のマイクロチャンネル冷却器組立体（１０６８及び１０６７）が示されており、オプションの外側箔層区域１０７５及び１０７６によって支持されている。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器１０６８、ヒートスプレッダー層１０６７、及び外側箔層区域１０７５及び１０７６が交換可能なモノリシックのマイクロチャンネル冷却器組立体を形成している。
本例によれば、銅アノード基板（それは厚い箔層であると考えることが可能である）が「ｔ」形状のマイクロチャンネル冷却器組立体１０６７及び１０６８によって与えられ、それはエッチングしたマイクロチャンネル１０９０を具備する銅／アルミニウムの横方向（平坦に横たわっている）シートへ拡散ボンディングされていて、単一のモノリシックの高熱伝導度部分を構成している。
この例において、「ｔ」の上部はヒートスプレッダー層１０６７であり且つ「ｔ」の垂直部分はエッチングしたチャンネルを具備する箔１０６８の積層である。該「ｔ」のこれら２つの部分は、好適には、箔層１０７０のボンディングの後、又は多分それに関連して、一体的に拡散ボンディグされる。この場合に、多面シール（Ｏリング４２０ａ−ｃによって与えられる単一面シールに類似）を考慮することが必要な場合があり、バイパスを防止するエッチングした箔層（前述したＯリング近く）下側のセクションは、周囲の外側環境への液体の流れを防止するヒートスプレッダープレートの底部周りの周辺領域とは異なる面内にある。これらの特徴及び構成を受け付けるための係合用ランプ本体を構成することが可能である。エッチングした箔拡散ボンディングした層及び主要冷却剤インレットチャンネル１０６３と主要冷却剤アウトレットチャンネル１０６４とを包含することが可能なランプ本体１０６２からなる垂直「ｔ」部分の端部周りの液体のバイパスを防止する上で困難性に遭遇する場合がある。即ち、流体は、可能性として、この領域をシール即ち封止する別の手段無しで、１個のチャンネル１０６３からマイクロチャンネル１０９０を介して進むこと無しに他のチャンネル１０６４へ流れる場合がある。このことは、箔積層体の両端部における部分において垂直に走行するシールを有することによって防止することが可能であり、多分、糊又は半田も考えられる。複数の箔からなる垂直積層体は、ヒートスプレッダー層の底部に拡散ボンディング、ロー付け、糊付け、又は半田付けさせることが可能である。ランプ本体１０６２とヒートスプレッダー層１０６７との間に中間層が存在することが可能であり、それはランプ本体１０６２とヒートスプレッダー層１０６７との間の区域の周辺部回りに走行し、積層しエッチングした箔マイクロチャンネル層１０６８からなる垂直ｔ部分と実質的に同じ高さであるｚ軸高さを有している。
この例において、主要冷却剤インレットチャンネル１０６３及び主要冷却剤アウトレットチャンネル１０６４は、ＬＥＤアレイ１０７１の高アスペクト比長軸長さに平行に走行している（それは、オプションの中間ヒートスプレッダー層１０６７と共に銅アノード基板へボンドされている）。１実施例において、冷却剤インレット及びアウトレット管１０８０が平行であるが対向する主要チャンネル１０６３及び１０６４の対向端部に設けられており、それによりマニフォールド構成を形成しており、マイクロチャンネル１０９０は実質的に一様な冷却剤流れを有している。
モノリシックなアノード本体１０６１ａ−ｂはポリマーボルトでランプ本体１０６２に取り付けられており、該ボルトは別個のカソードバスバー１０６０ａ−ｂをアノード本体１０６１ａ−ｂへクランプしており、アノード基板（１０６８及び１０６７）へボンドされているカソードフレックス回路箔がそれらの間に挟持されている。この挟持は、又、Ｏリング１０６９を圧縮し、且つ冷却剤バイパスを防止し、且つ外部環境への冷却剤の漏れを防止している。
モノリシックなアノード本体１０６１ａ−ｂは互いに直接的に対向しており且つ、主要インレット及びアウトレット流れチャンネル１０６３及び１０６４に対して平行で、且つそれ自身ポリマーボルトによってアノード本体１０６１ａ−ｂとカソードバスバー１０６０ａ−ｂとの間にクランプされている銅アノード基板１０６８及び１０６７に対して電気的通信状態にあり且つそれに対して直交して、ランプ本体１０６２の側部へ取り付けられると共にそれと熱的通信状態にある。この形態は非常に低い熱抵抗及びその本質的な等温特性を与え、それらが結合して、実際的な態様で、高フィルファクタで、高密度で、高パワーで、且つ高輝度のＵＶＬＥＤアレイを動作させる実際的な手段を可能としている。
ヒートスプレッダー基板１０６７は、それ自身、箔層と考えることが可能である。複数の層の間及び／又はエッチングしたチャンネルの間の距離において熱拡散が行われることを可能とすることが可能である。注意すべきことであるが、それらの層の垂直配向は一層低い熱抵抗を与えることが可能であるが、組立体及び装置機能性の異なる容易性を有している。乱流発生又は境界層圧縮の目的のためのエッチングした突起又は変化する幅及び深さのチャンネルが考えられるように、チャンネル内及び相互接続用チャンネル内又はそれと共に捩れ、又は屈曲、又は「ガルウイング」が有益的に考えられる。該基板（実際に使用される場合には、ヒートスプレッダーとしても知られている）をして拡散する熱エネルギの間のバランスを持たせることが望ましいが、ＬＥＤ接合と流れる冷却剤との間の全体的な熱抵抗に対して実質的に付加される程に厚いものではない。又、流れる冷却剤の内部圧力又は乱流によって機械的に屈曲されるような薄いものとすべきではなく、従って、該基板を約１２５乃至２５０μｍ厚さ、１０−１０００μｍの範囲、で形成し、且つ約２５−５０μｍの厚さ、１−５００μｍの範囲、である約８−１６個の箔層、１−１００個の範囲、を有しており、且つ約１２．５−２５μｍ、１−５００μｍの範囲、のエッチングした深さのチャンネルを有しており、且つ中心間距離が約３０−６０μｍ、１−１０００μｍの範囲、で且つ最後にチャンネル長さが約４０００−４３００μｍ、１−１０００００μｍの範囲、であることが妥当である。該冷却器は、侵食、生物付着、腐食、及び／又は電気的インピーダンス低下の目的のために、内部又は外部を鍍金することが可能である。内部コーティングは、後に、剥がれ落ち且つ有害的に冷却器寿命に影響を与える場合があるので、通常、回避すべきである。該箔層は、より一層耐侵食性であるニッケル等の物質から構成することが可能であり、及び／又は好適には拡散後ボンディグであるＡＬＤ等のコンフォーマルコーティングプロセスにおいてセラミック又は金属でコーティングさせることが可能である。注意すべきことであるが、拡散ボンディングの前にニッケルで該層を事前鍍金することが一般的である。ミクロン又はサブミクロン範囲のフィルタを該冷却器の上流側又は下流側又は両方において使用することが可能であり、且つランプ又はＬＥＤ等の深ＵＶＣ光源を生物付着の減少の目的のために使用することが可能である。好適には、３Ｍ、ＵＳＡ、からの０．１−１５ミクロンフィルタ及び／又はメンブラナ（Membrana）、ＵＳＡ、からのメンブレンコントラクタを使用することが可能であり、それらは、冷却用流体のｐＨに有害な影響を有しており且つ腐食を増加させる二酸化炭素を除去する上で非常に効果的である。
図１１Ａは、本発明の１実施例に基いて、互いに重畳させた２個のマクロ反射器１１１０ａ−ｂ及び１１２０ａ−ｂの断面を概念的に例示している。この例において、マクロ反射器１１１０ａ−ｂ及び１１２０ａ−ｂは実質的に同じ外部高さ及び幅を有しているが、異なる作業距離に対して最適化される。単一の深いトラフのマクロ反射器長を有すること、従って異なる焦点に対して異なる内部湾曲表面を有することは、製造上の観点からは効率的である。何故ならば、単一の外側金型が必要とされるに過ぎず、且つ異なる曲線は単に異なる金型インサートであるからである。
本例において、マクロ反射器１１１０ａ−ｂは、５３ｍｍ焦点面に対して最適化されており、且つマクロ反射器１１２０ａ−ｂは、２ｍｍ焦点面１１３０に対して最適化されている。図示した各湾曲部分は他方の鏡像であり（それらが同じ焦点距離を有するものと仮定）且つ完全な楕円、放物線及び／又はこれら２つの結合の一部を表している。放物線は楕円の特別な場合で、通常は、光をコリメートさせるために使用される。
楕円は２つの焦点、即ち一次焦点と二次焦点、を有している。本例において、一次焦点はＬＥＤ面１１７０内にあり且つ二次焦点は被加工物面１１３０又は１１４０内にある。
本発明の種々の実施例において、周辺光線１１１１（反射器１１１０ａによって捕獲される第１光線を表す）及び反射器１１１０ａによって捕獲され且つＬＥＤアレイを出る最後の光線（不図示）が約６０度乃至８９度、好適には８０度乃至８５度、の間の角度範囲１１５０を画定し、それにより、５３ｍｍマクロ反射器１１１０ａ−ｂはＬＥＤアレイを出るフォトンの約８０％を超えるものを制御することを例示している（簡単な２次元解析を介して）。実際に、３次元コンピュータ解析は、この様な深いトラフの反射器デザイン（端部キャップ（例えば、端部キャップ２０７ａ−ｂ）が所定位置にある場合）はＬＥＤアレイから出るフォトンの９０％を超えるものを制御することを示唆している。角度範囲が大きければ大きい程、ＬＥＤから出るフォトンにわたっての制御を一層大きくなる。従って、角度範囲を増加させることが可能であるが、反射器寸法（長さ及び幅）に対する実際的な事項を検討に入れることが必要である。
図１１Ｂを参照すると、ＬＥＤ１１５０ａ及び１１５０ｂから出て反射器１１２０ａから反射する周辺光線１１２１ａ−ｂ（反射器１１２０ａによって捕獲される最初の光線及び反射器１１２０ａによって捕獲される最後の光線を夫々表している）が約６５度乃至８９度、好適には８２度乃至８７度、の角度範囲１１６０を画定し、それにより、本発明の１実施例に従って、ＬＥＤアレイから出るフォトンの８２％を超えるものをマクロ反射器１１２０ａ−ｂが制御することを例示している（簡単な２次元解析を使用して）。実際に、３次元コンピュータ解析は、この様な深いトラフの反射器デザイン（端部キャップ（例えば、端部キャップ２０７ａ−ｂ）が所定位置にある場合）はＬＥＤアレイから出るフォトンの９６％を超えるものを制御することを示唆している。
図１２は、２ｍｍ焦点面１２４０に対して最適化させたマクロ反射器１２１０の一部を示しており、その場合に、該反射器の各側部は、本発明の１実施例に従って、被加工物（不図示）上にフォーカスさせたビーム１２３０（約７ｍｍの全パターン幅及び約０．６５ｃｍの高放射照度中心部分を有している）の中心線１２３１からオフセットされている焦点１２２０を有している。図中に示した如く、この様な形態において、右側反射器からの反射光線は中心線１２３１の左から中心に向かって内方へ移動し且つ左側反射器からの反射光線は中心線１２３１の右から中心へ向かって内方へ移動する。この様に、これら２組の反射光線はオーバーラップして高放射照度ビーム１２３０を形成する。コンピュータモデリングは、これら２組の反射光線がオーバーラップしなかった場合よりも１０％一層高い放射照度レベルを表している。注意すべきことであるが、１実施例において、一層長い焦点面距離（例えば、約５３ｍｍ）において、焦点から±３ｍｍの面において放射照度の著しい損失（５％未満）は存在しない。
図１３は、種々のチャンネル幅に対する推定対流熱抵抗を例示したグラフである。この図は、個々のマイクロチャンネルの幅の減少と共に熱抵抗における線形的な減少を図示している。注意すべきことは、本発明の実施例は、通常、０．１ｍｍ、しばしば０．０５ｍｍ未満、０．２５ｍｍ以下、の幅を有するチャンネルを使用する。このことは、０．５ｍｍ以上の程度のマクロチャンネルを使用するものと思われるフォエシオン（Phoeseon）、ＵＳＡ，及びインテグレーションテクノロジー（Integration Technology）、ＵＫ、によって製造されているような従来技術のＵＶＬＥＤランプ装置において使用されているチャンネルの幅と対比される。一方、この様な従来技術のＵＶＬＥＤランプ装置は、又、ＬＥＤアレイが別体の冷却器へ取り付けられる点においての高い接触抵抗を蒙っている。それらは、更に、ＬＥＤアレイが取り付けられている基板の高いバルク熱抵抗も蒙っている。
図から理解することが可能であるように、他の全てが等しい場合に、０．５５ｍｍチャンネルから０．０２５ｍｍチャンネルへの熱抵抗における桁を超えての減少は、ＬＥＤ接合温度における桁を超えての減少となる。しかしながら、他の全てが等しいものではない。本発明者等によって現在理解されているところでは、該従来技術はそれに有利に働く唯一の熱関連要因を有している。該要因は、低輝度、低フィルファクタ（ＬＥＤパッキング密度）アレイの使用であり、それは熱源を拡散させ且つ低熱密度をもたらし、そのことは同じ接合温度に対して対応的に一層低い熱伝達係数を必要とする。
しかしながら、従来技術のＵＶＬＥＤ硬化システムに不利に働くものは、従来システムは、典型的に、直列／並列ＬＥＤ配置を使用しており、そのことはチップボンドパッドと基板との間に熱的に抵抗性の誘電体層を必要とすることである。注意すべきことであるが、ＤＬＣ等の高熱伝導性（高価な）誘電体を使用したとしても、両方のインタフェースにおいて付加的な接触抵抗が尚且つ存在し、そのことは、しばしば、該誘電体のバルク熱抵抗を超えることがある。第２に、フォエシオンはシリコン基板を使用しているが、それは銅の熱伝導度の半分未満を有するに過ぎない。我々の知る限り、フォエシオンは、又、このシリコン基板を銅熱交換器にボンドさせており、更に一層の熱抵抗を形成している。実際に、これらの熱抵抗の全ては、例えマイクロチャンネル冷却器がこの様な環境において使用されたとしても、マイクロチャンネル冷却器の低い熱抵抗の利点が深刻に妥協されることとなる点へ合算することとなる。インテグレーションテクノロジー（そのＬＥＤアレイは現在エンフィス（Enfis）グループＰＬＣ、ＵＫ、によって製造されている）の場合には、その技術は、少なくとも、シリコン基板を使用するものではなく、多分ＡＩＮ基板（銅の熱伝導率の約半分）であり、又は厚い（例えば、約１ｍｍ）銅基板を使用しているかもしれない。ＤＬＣ誘電体層は非常に小さいが定量可能な利点を有する場合がある。何故ならば、ＤＬＣは高いバルク熱伝導率を有しているが、その層は非常に薄く且つ接触抵抗は非常に大きくてＤＬＣの非常に高いバルク熱伝導率によって得られる利点を圧倒するからである。従って、従来技術のＵＶＬＥＤシステムは、ボンドパッド、トレース、及び誘電体がＬＥＤ（例えば、ＬＥＤ５３１）と基板（例えば、共通アノード基板３１７）との間に使用されておらず且つ純粋に並列的なＬＥＤ電気配列に起因して必要とされるものでもないという事実によってボンドパッド、トレース、及び誘電体の熱抵抗劣化問題が発生するものではない本発明の実施例と比較して、高熱抵抗を深刻に蒙るものである。付加的に、本発明の実施例は、ＬＥＤの底部表面と熱伝達経路（マイクロチャンネル）との間の最小厚さ（通常、約１２５μｍ（５−５，０００μｍ範囲））に起因して銅基板を介してのバルク熱抵抗損失を最小としており、ボンドパッド層からのエキストラな接触面抵抗は無い。電気的に直列化したＬＥＤの一層高い電圧は幾らかのＡＣ／ＤＣ変換効率及びケーブル抵抗減少（与えられたケーブル直径に対して）に通じる場合がある。
図１４は、種々の接合温度に対する出力パワーを例示したグラフである。この図は、接合温度の増加と共にＵＶＬＥＤ効率における厳しい低下を示している。４０％の効率低下が２０℃から８８℃への接合温度の上昇と共に示されている。ＵＶＬＥＤは、幾らかの一層長い波長の青及び緑のＬＥＤよりも熱に対して一層敏感である。従って、長寿命を達成し且つ妥当な効率を維持するために接合温度を低く維持するためには優れた熱管理を使用することが望ましい。
本発明の実施例によれば、例え２．５Ａ／ｍｍ２で、時折は３Ａ／ｍｍ２、を超える電流密度において動作する場合であっても、約４０−４５℃のＬＥＤ接合温度が得られる。このことは、フォセオン（Phoseon）及びインテグレーションテクノロジー（Integration Technology）のＵＶＬＥＤランプヘッドを対比することが可能であり、そのランプヘッドは、多分、１．５Ａ／ｍｍ２未満の電流密度で動作し、ＬＥＤはより一層離されており（低フィルファクタ／低パッキング密度）、そのことは、勿論、被加工物に対して一層低いピーク放射照度及び一層低い全エネルギが送給されることとなる。
図１５は、典型的なヒートシンク上の典型的なＬＥＤに対する動的抵抗対順方向電流曲線を例示したグラフである。電流が１５００ｍＡに近づくに従いどのように動的抵抗が漸近線に近づくかに注意すべきである。このことは、電気的に並列化したＬＥＤアレイにおいて何れか２個のＬＥＤの間の温度差の有害な影響を含む幾つかの要因を例示している。電気的の負の温度係数はＬＥＤに本来的なものであるから、このグラフは、（動的）抵抗における単に小さな変化が電流に関して大きな影響を有する場合があることを示している。従って、その上にＬＥＤを装着することが可能な実質的に等温の基板を構成することが望ましい。例えば、並列化したＬＥＤ接合の実質的に全ての間にほぼ等温条件を形成するために、低熱抵抗（及び低温度抵抗直接半田付け技術で装着）、高熱伝導度、高熱伝達係数（１０，０００−３５，０００Ｗ／ｍ２Ｋ）、及び高熱拡散率（熱伝導度を熱容量で割算したもの）を有する基板上にＬＥＤを装着することが望ましい。
ＬＥＤと冷却剤チャンネル（熱伝達チャンネル）との間に短い熱拡散長（例えば、約１２５ミクロン）を有するマイクロチャンネル冷却器は理想的にこれらの条件を満足する。熱拡散率は、本体内の一つの点における温度擾乱が別の点へ移動するレートの尺度である。類推として、１個のＬＥＤ内に存在する温度上昇を迅速に拡散させ且つこのエネルギをその周囲へ迅速に伝達させることによって、ＬＥＤの全ては基本的に等温に維持される。実際には、「基本的に」とは相対的な用語である。何故ならば、使用されるマイクロチャンネル冷却器のデザインの結果として、上流側ＬＥＤ（冷却剤がランプ本体に入る箇所近く、及び冷却剤が熱伝達チャンネルに入る箇所の最も近く）は、幾らかの小さな乃至は極小に小さな一層低い温度にある場合があるからである。１実施例において、マイクロチャンネル冷却器の熱伝達チャンネルは、通路が熱的平行（即ち、冷却剤がＬＥＤ（例えば、その２つの行）の下側を直列ではなく並列に流れるので、ＬＥＤ間の温度差は基本的には存在しない）にあるように構成される。そうであるから、温度差が存在する蓋然性は一層低い。
しかしながら、複数個のＬＥＤの内の１個のビン内における出力パワー及びＶｆにおける差が存在する範囲まで、この様な差は、全体的な上流バンク（行）のＬＥＤ、及び該上流行の各セグメント、を個別的にアドレスすることが可能な本発明の実施例の独特な要素を介して、取扱うことが可能である。従って、予めテストした一層高い／一層低いＶｆ（インピーダンス）及び／又は一層高い／一層低い出力パワーを有するＬＥＤは、一層高い／一層低い温度の冷却剤出口／入口区域（それらが主要冷却剤インレット／アウトレット３６０及び３１６であるか又は内部マイクロチャンネルであるか否かに拘わらずに）近くに戦略的に配置させることが可能である。又、これらに限定されるものではないが、Ｖｆ、波長、光強度などを含んだ異なる動作特性を有するＬＥＤを使用することが可能である。
１実施例によれば、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０は、動的抵抗や電圧に関して動作するものではなく、電流に関して動作する。電流モード動作は電流を測定し、且つ抵抗増幅器を介して（例えば、小さな０．００５Ω）、その電流情報を測定し且つ制御ループへフィードバックする。電流リップルは、全負荷の最大（例えば、１０％）、即ちＬＥＤ当り３Ａで動作される場合には０．３Ａ、であるように設計される。この最大リップルは、最悪の場合である。というのは、それは該リップルを更に減少させる出力コンデンサを包含していないからである。
動的抵抗は、単に、Ｖｆ／Ｉｆである。例えば、Ｖｆが３Ａにおいて４．５Ｖである場合には、それはＬＥＤ当り１．５オームである。抵抗は並列において分割されるので、１．５Ωを（例えば、１７個のＬＥＤ）で分割して全ドライバに対して５１Ａにおける動的抵抗（例えば、８８ｍΩ）を得ることが可能である。１実施例において、及び以下に更に説明する如く、各セグメントは、それ自身のドライバＩＣを有しており、各ドライバセグメントは短絡でも正確な電流を駆動することが可能であり、出力を短絡させることが可能であることを意味しており、５１Ａにおいて駆動し且つ該短絡を横断しての電圧はゼロである。該ドライバは複数の出力電圧の間で区別をするものではなく、それは電流をそれが設定されたところに維持するだけである。開放された場合には、出力は（例えば、１２Ｖ）の入力電圧へ移行する。短絡された場合には、それはゼロボルトに幾分非常に近くへ移行する。該ＬＥＤは約（例えば、４−４．５Ｖ）の範囲のどこか間にある。Ｋ係数はＶｆにおける変化をＬＥＤの接合温度で割算したものである。Ｋ係数はＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールの設計に関連して考慮される場合がある。一層小さなＫ係数は一層低い熱抵抗パッケージを表す。
個々のＬＥＤに関して、約０．０５Ｋ−ｃｍ２／Ｗ乃至０．０１Ｋ−ｃｍ２／Ｗで好適には約０．０２０Ｋ−ｃｍ２／Ｗ未満の範囲における非常に低い熱抵抗が役に立つが、ビン処理することが未だに役に立つ。一層低い自然の動的抵抗を有する個々のＬＥＤは、その隣のものよりも一層多くの電流／熱を引き出し、それが一層加熱すると、その抵抗は減少し且つそれはランアウエイする、即ちそのＬＥＤ自身が焼損（開放）するまでサイクルが継続することを意味する。低熱抵抗は該ＬＥＤの全てを熱的にモノリシック（等温）に維持し、そのことは、動的抵抗のΔを低く維持し且つランアウエイの機会を著しく減少させる。十分に低い熱抵抗（例えば、約０．０５Ｋ−ｃｍ２／Ｗ乃至０．００５Ｋ−ｃｍ２／Ｗの範囲内）の場合には、複数のＬＥＤからなる並列で且つ近くにビン処理した複数のグループの各々を１つとして考えることが可能である。Ｖｆビン処理がタイトであればあるほど（即ち、０．０１、０．００１、０．０００１Ｖ）、１個のビンにおける任意の与えられたＬＥＤが、同じビン内の他のＬＥＤと相対的にその寿命を短くさせるのに十分に高い出力パワーにおいて（その不釣合いな電流の引き出しに起因して）、稼動する蓋然性は一層低い。
動的抵抗の漸近的特性は、Ｖｆの漸近線と同じである。ＬＥＤバンクが一層強く駆動されると、駆動電流に影響を与えるためには電圧における指数的に一層少ない変化が必要とされる。電圧モードドライバで駆動されるＬＥＤにおいて、温度のためにＶｆが減少すると、電流における指数的変化があり、且つその電圧が引き戻されない場合には、ランアウエイが起こる場合がある。しかしながら、本発明の種々の実施例において、ＬＥＤドライバＰＣＢ３１０は定電流モードドライバであるので、電圧（及び抵抗）は問題ではない。
図１６は、本発明の１実施例に基く２ｍｍ焦点面用に最適化させた反射器を具備するＵＶＬＥＤランプヘッドに対する放射照度分布を例示したグラフである。本例によれば、約８４．８Ｗ／ｃｍ２の最大（ピーク）放射照度が約０．６５ｃｍの出力ビームパターン幅で達成されており、且つ約３１．６Ｗ／ｃｍ２の出力ビームパターンの幅を横断しての平均放射照度及び出力ビームパターン長のｃｍ当り約２０．５Ｗの全出力パワーを発生している。この例は、SemiLEDの約１．０７×１．０７ｍｍＬＥＤを使用し各ＬＥＤが３５０ｍＡにおいて３００ｍＷを発生することを仮定したコンピュータモデルで発生されたものである。注意すべきことであるが、本発明の実施例は、約０．７５Ｗ乃至１．２５Ｗにおいて一層高い電流（例えば、約２．５Ａ）において各ＬＥＤを稼動させることが可能である。
図１７は、本発明の１実施例に基く５３ｍｍ焦点面に対して最適化された反射器を具備するＵＶＬＥＤランプヘッドに対する放射照度分布を例示したグラフである。本例によれば、約２４Ｗ／ｃｍ２の最大（ピーク）放射照度が約３．６５ｃｍの出力ビームパターン幅で達成されており、且つ約５．９Ｗ／ｃｍ２の出力ビームパターンの幅にわたっての平均放射照度及び出力ビームパターン長のｃｍ当り約２１．７Ｗの全出力パワーを発生している。この例は、SemiLEDの約１．０７×１．０７ｍｍＬＥＤを使用し各ＬＥＤが３５０ｍＡにおいて３００ｍＷ出力を発生することを仮定したコンピュータモデルで発生されたものである。注意すべきことであるが、本発明の実施例は、約０．７５Ｗ乃至１．２５Ｗにおいて一層高い電流（例えば、約２．５Ａ）において各ＬＥＤを稼動させることが可能である。
ＬＥＤドライバがＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール内に集積化されている１実施例によれば、大量の「サーバーファーム（server farm）」用にデザインされた既成のＡＣ／ＤＣ電源を使用することが可能である。例示的なフロントエンド電源は、リーニエイジパワー（Lineage Power）、ＵＳＡ、から入手可能なモデルＣＡＲ２５１２ＦＰシリーズ２５００Ｗ電源である。好適な電源はパワーワン（Power-One）のＬＰＳ１００ １２Ｖ １１００Ｗ単一ファンサーバー電源であり、それは高度に効率的なプラチナ級のフロントエンドＡＣ／ＤＣ電源であり、該電源はパワーファクタ補正を有しており、電気的並列とすることが可能であり、且つＧＵＩｉ２Ｃインターフェースを有している。該リーニエイジパワー電源は、既成の（ＯＴＳ）これらのユニット４個を組み込んだサブシステムと共に入手可能である。２０１１年において、これらのリーニエイジユニットは同様であるが伝導冷却（ファン無し）によるものである。
本発明の実施例によれば、集積化したドライバを冷却することに加えて、冷却を必要とする電源の要素（又はベースプレート）と連通してヒートシンクを介して冷却配管を走行させることによってこれらの電源を冷却するために、冷却水を有益的に使用することも可能である。これらのリーニエイジ電源はそれらの最大パワーの或る百分率において一層効率的であるので、該電源を負担軽減させることが最適である。非制限的例として、約４０Ａ及び約４乃至５Ｖにおいて約１５個のドライバを具備する各ＰＣＢを運転する場合に、使用可能な約１００００Ｗの約６０％を使用する。４つの側部全ての各々上が約１０００−１２００μｍ平方である（それらは矩形等の任意の寸法及び形状、又は約２０００μｍ又は約４０００μｍ等の一層大きな寸法、又は側部当り一層大きなものとすることが可能である）好適には約１６個のＬＥＤが非制限的例によってＬＥＤ当り約３Ａ又はグループ当り約４８の電流で動作されることが所望される場合の現在及び将来において幾らかのヘッドルームを有するために約５０Ａ以上及び約５．５Ｖに対して設計することが最適である。１実施例において、ランプ本体３０５の裏側近くの各ＰＣＢ３１０ａ−ｂ上のカソードバスバー３１３ａ−ｂは好適には約３００ｍｍ長のボード（不図示）のほぼ長さに亘り走行することが可能であり、且つ半田パッドは該ＰＣＢのほぼ長さを走行することが可能である。１実施例において、カソードクロスプレート３７５は、ＬＥＤ寿命を最大とさせるために好適には１０％未満の低いリップルでＬＥＤに対して高度に効率的な電源を与えるＡＣ幹線へ好適には接続されている電源へＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００の好適には定電流（ＣＣ）のＤＣＰＣＢボードから進行する好適には単一の主要な大きいＡＷＧレンジ約１−１０及び好適には約２ＡＷＧのコアアノードワイヤに好適には幾分類似した態様で、ＵＶＬＥＤランプヘッドモジュール２００からＡＣ／ＤＣ電源へ進行する好適には単一の主要なカソードワイヤ２０５に対する効果的な取り付け点を与えるカソードバスバー３１３ａ−ｂを横断して取り付けられているタイバーを表している。該ＰＣＢ上において、それらのカソードを分離させることが必要ではない場合がある約１５個の別個のコンポーネントに対して決定的な条件が存在しないような、約１５個のＣＣドライバの前述した非制限的例の幾つかの共用されたコンポーネントが存在している場合がある。注意すべきことであるが、１−ｎ個のカソード及びアノードケーブルは、該ランプを、１−ｎ個の電源又は幹線からの電気的パワーを供給することが可能である。ランプ当り４個のリーニエイジ、ＵＳＡ、の２５００Ｗ電源を使用し且つそれらを効率のために負担軽減させたパワーで稼動させることが望ましい場合がある。それらは約４個の電源に対して共通バックエンドで入手可能である。該バックエンド有又は無しで、より小さな直径のケーブル（メソード／ケーブルコ（methode/cableco）、ＵＳＡ）及び／又は大きなケーブル及びより低い抵抗損失の使用を可能とするために、ランプ当り４個の別個のアノード及びカソードワイヤ／ケーブルを考慮することが可能である。
前述したことに鑑み、本発明の実施例は、高フィルファクタアレイとしても知られる複数のＬＥＤの密接して離隔されたアレイに基いており、従って最大の輝度を得ることが可能である。即ち、固体角当り単位面積当りの光学的パワー即ち光強度は最大化されている。何故ならば、輝度はほぼ固体角当り単位面積当りのパワーとして定義することが可能だからである。この高い輝度は、又、アレイ密度が増加するに従い電気的パワーから光学的パワーへの変換からの廃熱が一層密となるので、熱束／熱的要求とほぼ直線的に相関する。本発明の実施例は、好適には、９０％以上のＬＥＤのフィルファクタのアレイを使用するが、３０−１００％の範囲を有している。本発明の実施例に基く高フィルファクタアレイの適用は、１０００Ｗ／ｃｍ２以上で１００−１０，０００Ｗ／ｃｍ２範囲の程度の極めて高く且つ密な熱負荷へ通じる。この高い熱束は高輝度のアーチファクトであり、即ち該ＬＥＤが互いに非常に近接（１−１０００μｍ）しており、平方ｍｍ当り２−３以上のＡ（０．１乃至１００Ａの範囲）で動作され、そのことは極めて高い熱束要求となり、且つ、勿論、付随して、長寿命のために好適には４０℃以下である接合温度を達成するために非常に高い程度の冷却（例えば、対流冷却及び／又は伝導冷却（例えば、ＬＥＤと流動ガス又は液体との間の薄く且つ高い導電度の層）と極めて高い出力パワーにおいての効率的な動作との両方を結合した極めて低い熱抵抗の冷却技術を必要とする。
本発明の実施例について例示し且つ説明したが、本発明はこれらの実施例にのみ制限されるものではないことは明らかである。数々の修正、変更、変形、置換、及び均等物は、特許請求の範囲に記載される如き本発明の精神及び範囲を逸脱すること無しに、当業者にとって明らかなものである。

Claims (18)

  1. ランプヘッドモジュールにおいて、
    外側表面を具備するウィンドウを包含する光学的マクロ反射器、
    該光学的マクロ反射器内に位置されている複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）からなるＬＥＤアレイであって、該光学的マクロ反射器の該ウィンドウの該外側表面から少なくとも１ｍｍ離れた被加工物表面において２５Ｗ／ｃｍ２を超えるピーク放射照度を有する高放射照度出力ビームパターンを与えるべく動作可能な高フィルファクタ及び高アスペクト比を有するＬＥＤアレイ、及び
    ８０℃以下の温度において該アレイ内のＬＥＤのＰＮ接合の間で実質的に等温状態を維持すべく動作可能なマイクロチャンネル冷却器組立体であって、該ＬＥＤアレイに対する共通アノード基板を与えており、該ＬＥＤアレイを該マイクロチャンネル冷却器組立体へ夫々の長手軸を整合させて装着することによって該ＬＥＤアレイと該共通アノード基板との間に熱的に効率的な電気的接続が形成されており、複数個の第１孔が設けられている第１側部と該複数個の第１孔に夫々のマイクロチャンネルを介して連通している複数個の第２孔が設けられている第２側部であって該第１側部と反対側の該第２側部とを具備しているマイクロチャンネル冷却器組立体、
    該マイクロチャンネル冷却器組立体を支持する上部表面を具備しており、該上部表面と同一の面から所定の深さに一対の第１及び第２チャンネルが穿設されており、該第１チャンネルの該同一の面における第１開口はその幅方向が該マイクロチャンネル冷却器組立体の該第１側部と平行であり且つ該第２チャンネルの該同一の面における第２開口はその幅方向が該マイクロチャンネル冷却器組立体の該第２側部と平行であり、該複数個の第１孔が該第１開口と流体連通しており且つ該複数個の第２孔が該第２開口と流体連通している熱伝導性ランプ本体、
    を有しているランプヘッドモジュール。
  2. 請求項１において、該ＬＥＤアレイが該マイクロチャンネル冷却器組立体へ直接的に装着されているランプヘッドモジュール。
  3. 請求項１において、該マイクロチャンネル冷却器組立体が該ＰＮ接合間の実質的に等温状態を実質的に４５℃以下の温度に維持するランプヘッドモジュール。
  4. 請求項１において、該ＬＥＤが電気的に並列化されているランプヘッドモジュール。
  5. 請求項４において、該ＬＥＤの内の少なくとも１個が紫外線発光用ＬＥＤであるランプヘッドモジュール。
  6. 請求項５において、該ＬＥＤアレイの長さに対する幅のアスペクト比が実質的に約１：２乃至１：１００の間であるランプヘッドモジュール。
  7. 請求項６において、該アスペクト比が約１：６８であるランプヘッドモジュール。
  8. 請求項５において、該ピーク放射照度が１００Ｗ／ｃｍ２以上であり且つ該被加工物表面が該光学的マクロ反射器の該ウィンドウの該外側表面から少なくとも２ｍｍ離れているランプヘッドモジュール。
  9. 請求項１において、該ＬＥＤの内の１個のＬＥＤの故障がそれを含んでいるストリング全体を不能とさせる程度に著しい数が直列接続されているものではないランプヘッドモジュール。
  10. 請求項１において、該ＬＥＤアレイを横断して且つ下側の該マイクロチャンネル冷却器組立体を介しての冷却剤の流れが該ＬＥＤアレイの長手軸に直交する方向であるような形態とされているランプヘッドモジュール。
  11. 請求項１０において、該マイクロチャンネル冷却器組立体のマイクロチャンネルを介しての該冷却剤の流れが実質的に均等とされているランプヘッドモジュール。
  12. 請求項１において、更に、該マイクロチャンネル冷却器組立体にボンドされているフレックス回路を有しており、該フレックス回路は該複数のＬＥＤ又は該複数のＬＥＤの複数のグループを個別的に選択すべく動作可能であるランプヘッドモジュール。
  13. 請求項１において、該マイクロチャンネル冷却器組立体が、工場での置換可能性を容易化させるために、１個又はそれ以上のカソードコネクタと１個又はそれ以上のアノードバス本体との間にクランプされているランプヘッドモジュール。
  14. 請求項１において、更に、
    パターン化したカソード層を包含しており、該ＬＥＤアレイの１個又はそれ以上のＬＥＤの複数個のグループを独立的に選択するフレックス回路、
    該熱伝導性ランプ本体の両側に設けられている一対の薄い外側壁の各々へ装着されている集積化したＬＥＤドライバ、
    を有しており、
    該熱伝導性ランプ本体の該第１及び第２チャンネルは、該マイクロチャンネル冷却器組立体を介しての冷却剤の流れを均等とさせ且つ該集積化したＬＥＤドライバの動作温度条件を維持すべく熱伝達係数を減少させるために十分な表面積を形成しており、且つ
    該熱伝導性ランプ本体の該薄い外側壁は、該ランプヘッドモジュールを幅狭であることを可能としており、そのことは（ｉ）該パターン化したカソード層の長さを減少させ且つ（ｉｉ）該冷却剤流れチャンネル内の冷却剤と該集積化したＬＥＤドライバとの間の熱抵抗を減少させる、
    ランプヘッドモジュール。
  15. 請求項１において、更に、
    集積化したＬＥＤドライバ、
    を有しており、該集積化したＬＥＤドライバが該熱伝導性ランプ本体の両側の一対の側部に装着されている複数個のメタルコアプリント回路基板（ＭＣＰＣＢ）を有しており、該複数個のＭＣＰＣＢが該熱伝導性ランプ本体を介して伝導冷却される、
    ランプヘッドモジュール。
  16. 請求項１において、該光学的マクロ反射器が現場で交換可能であるランプヘッドモジュール。
  17. 請求項１において、該光学的マクロ反射器が各々が楕円の一部を表す右側半割り及び左側半割りを有しており、各楕円は２個の焦点を有しており、該右側半割りの２個の焦点は意図した出力ビームの中心線の左へオフセットされている対応するフォーカルポイントを有しており且つ該左側半割りの２個の焦点は該中心線の右へオフセットされている対応するフォーカルポイントを有している、ランプヘッドモジュール。
  18. 紫外（ＵＶ）光発光ダイオード（ＬＥＤ）硬化システムにおいて、
    複数個の端部同士を直列的に接続したＵＶＬＥＤランプヘッドモジュールが設けられており、各モジュールが、
    外側表面を具備しているウィンドウを包含している光学的マクロ反射器と、
    該光学的マクロ反射器内に位置されているＬＥＤアレイであって、高フィルファクタ及び高アスペクト比を有しており、該光学的マクロ反射器の該ウィンドウの該外側表面から少なくとも１ｍｍ離れた被加工物表面において２５Ｗ／ｃｍ２を超える大きさの放射照度を具備する実質的に一様な高放射照度出力ビームパターンを提供すべく動作可能であるＬＥＤアレイと、
    ８０℃以下の温度において該ＬＥＤアレイ内の複数のＬＥＤのＰＮ接合間に実質的に等温状態を維持すべく動作可能なマイクロチャンネル冷却器組立体であって、該ＬＥＤアレイに対して共通アノード基板を提供しており、該ＬＥＤアレイを該マイクロチャンネル冷却器組立体へ夫々の長手軸を整合させて直接装着することによって該ＬＥＤアレイと該共通アノード基板との間に熱的に効率的な電気的接続が形成されており、複数個の第１孔が設けられている第１側部と該複数個の第１孔に夫々のマイクロチャンネルを介して連通している複数個の第２孔が設けられている第２側部であって該第１側部と反対側の該第２側部とを具備しているマイクロチャンネル冷却器組立体と、
    該マイクロチャンネル冷却器組立体を支持する上部表面を具備しており、該上部表面と同一の面から所定の深さに一対の第１及び第２チャンネルが穿設されており、該第１チャンネルの該同一の面における第１開口はその幅方向が該マイクロチャンネル冷却器組立体の該第１側部と平行であり且つ該第２チャンネルの該同一の面における第２開口はその幅方向が該マイクロチャンネル冷却器組立体の該第２側部と平行であり、該複数個の第１孔が該第１開口と流体連通しており且つ該複数個の第２孔が該第２開口と流体連通している熱伝導性ランプ本体、
    を包含しているシステム。
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