JP6125233B2 - 光源からの熱を伝達するための反射体をもつ電球 - Google Patents

Description

本発明は、電球に関する。

米国特許出願公開第２００６／００１３８４号明細書は、ＬＥＤチップとランプシェードとを含むＬＥＤランプを開示している。むきだしになっているＬＥＤチップは、ランプシェードを介して延在する軸の外面に取り付けられる。軸は、ＬＥＤチップにより生成された熱を消散するためのヒートパイプを提供する。この目的のために、ヒートパイプは、熱受け取り部分と熱消散部分とを備え得る。これらの部分の間において、熱は、パイプの内側に封止された流体の液相転移及び気相転移を介して伝達される。消散部分は、自然又は強制の対流を介してＬＥＤランプの周囲に熱を消散する。

米国特許出願公開第２００６／００１３８４号明細書に開示されたＬＥＤランプの欠点は、ＬＥＤチップからの熱を除去するための、かなり複雑でそれ故に高価な設備にある。

本発明の電球の目的は、既知の電球の欠点の少なくとも１つを解消することにある。

この目的は、本発明の電球により達成され、当該電球は、一次反射体と熱的に連通する一次半導体光源を有し、前記一次反射体は、反射的、透明及び／又は半透明であり、前記一次反射体は、動作の間に前記一次半導体光源により生成された熱を前記一次半導体光源から離れる方に伝達するように構成される。

一次反射体は、一次半導体光源により生成された光を反射するか又は通過可能にするように構成され、一次半導体光源により生成された熱を離れる方に伝達するように構成されるので、一次反射体は、ランプシェードの機能性とヒートシンクの機能特性とを単一の要素に効果的に一体化する。結果として、本発明の電球は、電球に含まれる部品の数を効果的に削減し、これにより、電球の構造を簡素化するとともに電球の製造に関するコストを低減する。

一次反射体は、反射的、透明及び／又は半透明である。それ故、例えば、一次反射体の第１の部分が反射的であってもよい一方で、一次反射体の第２の部分が透明であってもよい。基本的に、一次反射体は、前述した光学特性の任意の組み合わせを備えてもよい。一次反射体反射体は、一次半導体光源により動作の間に生成された光を吸収するためのものではない。

この文書において、半導体光源は、これらに限定されるものではないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）及び光電気デバイスを含む。

この文書において、オブジェクト間の熱的な連通は、これらのオブジェクトが熱伝達を介して接続可能であることを意味する。後者の熱伝達は、オブジェクトの温度が相互に相関することをもたらす。実際には、これは、第１の温度、即ち第１のオブジェクトの温度の変動が、第２の温度、即ち第２のオブジェクトの温度によって同様に追従されることを意味する。この文書において、温度の相互の相関は、第１の温度の変動が、１時間よりも小さな時定数をもつ熱処理に従って第２の温度により追従されるという意味を含む。好ましくは、時定数は、１０分よりも小さく、より好ましくは、１分よりも小さい。オブジェクト間に導入された顕著な熱抵抗、即ち熱絶縁は、これらが熱的に連通するのを妨げる。この文書において、オブジェクト間の熱的な連通は、これらの間の任意の熱抵抗が１０Ｋ／Ｗよりも小さいことを示すことを必要とする。

この文書において、反射体は、特定の形状をもつことに限定されない。しかしながら、反射体が反射的である場合には、反射体の形状は、動作の間に半導体光源により生成された光を反射可能な範囲で構成される。この文書において、光の反射率は、仮想ベクトルである、一次半導体光源の一次光学軸に対して規定され、仮想ベクトルの向きは、一次半導体光源の光強度分布に対して回転対称が存在する軸と一致し、仮想ベクトルの方向は、ほとんどの光が一次半導体光源から伝播する方向と一致する。後方、即ち一次光学軸の方向とは反対の成分をもつ方向に放射された光の少なくとも８０％が、一次光学軸の方向に等しい成分をもつ方向に沿って反射された場合に、反射が得られる。好ましくは、一次反射体は、一次光学軸と実質的に直角をなすように設けられる。一例として、プレート状の形状は、一次半導体光源により生成された光を反射するのに役立つことを証明するだろう。プレート及び一次半導体光源は、後方に放射された光が実際にはプレートを通過するよりむしろプレートに達するように相互に配置されるように設けられる。この文書において、プレートは、平坦であるか、僅かに湾曲されるか、又は、大幅に湾曲される形状の意味を含むことが理解され、これに関して、厚さに対する面寸法の割合は、大幅に大きくなる、即ち１０を超える。それ故、プレートの縁は、一次半導体光源により生成された光を反射する目的のためにあまり適切ではないように見える。

比較的高い熱伝導性をもつとともに顕著な反射を与える材料の例は、アルミニウム又はクロムのような金属である。代わりに、例えばアルミニウム、二酸化チタン、酸化アルミニウム又は硫酸バリウムに基づく反射コーティングを備えた金属がうまく用いられてもよい。半透明な一次反射体を製造するのに適した材料は、多結晶アルミニウム（ＰＣＡ；Poly Crystalline Aluminum）である。

本発明の電球の好ましい実施形態は、一次半導体光源と一次反射体との間に熱的な連通を具現化するためのプリント回路基板を有する。プリント回路基板は、一次半導体光源と一次反射体との間に顕著な接触エリアを与え、これにより、一次半導体光源と一次反射体との間に実質的な熱伝導を具現化する。それ故、この実施形態は、一次半導体光源と一次反射体との間の熱的な連通を更に促進する点について有利である。

本発明の電球の更に好ましい実施形態は、一次反射体をソケットに機械的に接続するためのケージを有する。この実施形態は、流体、即ち空気にさらされる、一次反射体の面積を増大させ、これにより、対流を介して一次反射体から周囲の空気に向かう熱伝達を増大させる。結果として、この実施形態は、一次半導体光源からの熱を離れる方に伝達するように一次反射体の能力を有利に増大させる。

本発明の電球の更に好ましい実施形態は、一次反射体と熱的に連通する二次半導体光源を有し、一次及び二次半導体光源は、一次反射体に対して相互に反対側に配置される。この実施形態は、動作の間により多くの光を生成するという利点をもつ。

本発明の電球の更に好ましい実施形態は、二次反射体と熱的に連通する二次半導体光源を有し、二次反射体は、反射的、透明及び／又は半透明であり、二次反射体は、動作の間に二次半導体光源により生成された熱を二次半導体光源から離れる方に伝達するように構成される。この実施形態は、有利には、電球により生成可能な光の量を増大させる一方で、対流を介して熱を離れる方に伝達するための、半導体光源毎に利用可能な表面エリアをある程度具現化することを可能にする。

本発明の電球の実際の実施形態において、一次反射体及び二次反射体は、相互に実質的に平行である。この文書において、これらのオブジェクト間の距離が、これらのオブジェクトが平行になる方向に沿って測定する長さに対して１０％にすぎない程度に変化する場合に、オブジェクトが実質的に平行であると見なされる。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次反射体と二次反射体との間の距離は、一次反射体及び二次反射体が反射的である場合、６ｍｍよりも大きく、８ｍｍよりも小さい。８ｍｍよりも大きくならない距離を選択することにより、一次及び二次半導体により生成された光の分配は、反射的な一次反射体と二次反射体との間の距離によりほとんど邪魔されない。６ｍｍよりも小さくない距離を選択することにより、自然対流を介しての一次及び二次反射体からの熱の伝達が可能になる。それ故、この実施形態は、配光を邪魔することなく半導体光源からの熱を除去するように電球の能力を大幅に増大させる点について有利である。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次反射体と二次反射体との間の距離は、一次反射体及び二次反射体が透明及び／又は半透明である場合、６ｍｍよりも大きく、１５ｍｍよりも小さい。１５ｍｍよりも小さい距離を選択することにより、一次及び二次半導体により生成された光の分配は、透明及び／又は半透明な一次反射体と二次反射体との間の距離によりほとんど邪魔されない。６ｍｍよりも大きい距離を選択することにより、自然対流を介しての一次及び二次反射体からの熱の伝達が可能になる。それ故、この実施形態は、配光を邪魔することなく半導体光源からの熱を除去するように電球の能力を大幅に増大させる点について有利である。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次半導体光源は、二次反射体から見て外側に向いている、一次反射体の一方側に配置され、二次半導体光源は、一次反射体から見て外側に向いている、二次反射体の一方側に配置される。この実施形態において、二次半導体光源による一次反射体の放射線誘発加熱も、一次半導体光源による二次反射体の放射線誘発加熱も、効果的に最小限にされる。結果として、この実施形態は、一次反射体が一次半導体光源からの熱を除去することを可能にする効率と、二次反射体が二次半導体光源からの熱を除去することを可能にする効率とを、有利に増大させる。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次反射体は、一次半導体光源と他の表面エリアにより覆われた被覆表面エリアを有し、他の表面エリアは、被覆表面エリアよりも大きい。この実施形態は、一次反射体が、光を反射するため、及び、対流を介して熱を伝達するために利用可能な顕著なエリアをもつことを可能とする。それ故、この実施形態は、一次反射体の機能性を一次半導体光源の寸法に対して強くする点で有利である。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次反射体がセラミック材料を有する。セラミック材料は、比較的高い反射率をもつ一方で十分な熱伝導を与えることを特徴とする。それ故、この実施形態は、一次反射体に反射コーティングを設ける必要性を省略するという利点をもち、これにより、電球を製造するために要求される処理ステップの数を削減する。

本発明の電球の更に好ましい実施形態において、一次反射体は、セラミックプリント回路基板として機能するように構成される。セラミック材料に存在する顕著な電気抵抗により、この実施形態は、プリント回路基板と一次反射体との一体化を有利に可能にし、これにより、電球に含まれる部品の数を更に削減する。

本発明の電球の他の実際の実施形態は、半導体光源を収容するための、一次反射体に取り付けられた透明光学チャンバを有する。

本発明の電球の他の好ましい実施形態において、透明光学チャンバは、透明セラミック材料を有する。透明セラミック材料の熱伝導がプラスチック又はガラスのような一般に用いられる透明材料に関する熱伝導を大きく超えるので、この実施形態においては、透明光学チャンバがヒートシンクとして追加的に機能する。結果として、この実施形態は、一次半導体光源をより効果的に冷却することを可能とする。

一次及び二次半導体光源を有する本発明の電球の一実施形態を概略的に示す。 図１Ａに示された実施形態の３次元イメージを与える。 一次及び二次反射体を有する本発明の電球の一実施形態を概略的に示す。 図２Ａに示された実施形態の３次元イメージを与える。 一次反射体をソケットに機械的に接続するためのケージを有する電球を概略的に示す。 一次反射体の厚さ及び二次反射体の厚さと実質的に等しい距離で設けられた相互に平行な一次及び二次反射体を有する本発明の電球の一実施形態を概略的に示す。 実質的に湾曲した一次及び二次反射体を有する本発明の電球の一実施形態を概略的に示す。 一次及び二次半導体光源を囲む凹部を備えた一次及び二次反射体を有する本発明の電球の一実施形態を概略的に示す。 ４つの実質的に湾曲した反射体を有する本発明の電球の一実施形態の底面図を概略的に示す。 図７Ａに示された実施形態の平面図を概略的に示す。

図１Ａは、一次光学軸１０５をもち、反射的な一次反射体１０６と熱的に連通する、一次半導体光源１０４を有する電球１０２を概略的に示している。一次反射体は、動作の間に一次半導体光源１０４により生成された光を反射するように構成される。この目的のために、一次反射体１０６は、セラミック材料から作られ得る。追加的に、一次反射体１０６は、動作の間に一次半導体光源１０４により生成された熱を離れる方に伝達するために設けられる。他の実施形態において、一次反射体１０６は、一次半導体光源１０４と他の表面エリアとにより覆われた被覆表面エリアを有し、他の表面エリアは、被覆表面エリアよりも大きく、好ましくは２倍より大きく、より好ましくは３倍より大きい。この特定の例において、電球１０２は、二次光学軸１０９をもつ二次半導体光源１０８を更に有する。ここで、一次及び二次半導体光源１０４，１０８は、一次反射体１０６の相互に反対側に配置される。この特定の例において、一次プリント回路基板１１０は、一次半導体光源１０４と一次反射体１０６との間に熱的な連通を与えるためにこれらの間に配置される。同様に、二次プリント回路基板１１２は、二次半導体光源１０８と一次反射体１０６との間の熱的な連通の目的のためにこれらの間に導入される。オプション的に、透明な光学チャンバ１１４，１１６は、一次及び二次半導体光源１０４，１０８のそれぞれを提供するために一次反射体１０６に取り付けられる。好ましくは、透明な光学チャンバ１１４，１１６は、酸化アルミニウムのような透明なセラミック材料から作られる。一次反射体１０６は、ソケット１１８に機械的に接続され得る。ソケット１１８は、一次及び二次プリント回路基板１１０，１１２をそれぞれ介して一次及び二次半導体光源１０４，１０８に電気エネルギを供給するために設けられる。

図２Ａは、一次光学軸２０５をもち、一次反射体２０６と熱的に連通する、一次半導体光源２０４を有する電球２０２を概略的に示している。一次反射体２０６は、動作の間に一次半導体光源２０４により生成された熱を離れる方に伝達するために設けられる。電球は、二次光学軸２０９をもち、二次反射体２１０と熱的に連通する、二次半導体光源２０８を更に有する。二次反射体２１０は、動作の間に二次半導体光源２０８により生成された熱を離れる方に伝達するように構成される。この特定の実施形態において、一次及び二次反射体２０６，２１０は、相互に実質的に平行な構成で取り付けられる。ここで、一次半導体光源２０４は、二次反射体２１０から見て外側を向いている一次反射体２０６の一方側に配置される一方で、二次半導体光源２０８は、一次反射体２０６から見て外側を向いている二次反射体２１０の一方側に配置される。一次及び二次半導体光源２０４，２０８は、プリント回路基板２１２と電気的に接続し、プリント回路基板には、ソケット２１４を介して電力が供給され得る。代わりに、プリント回路基板２１２に電力を供給する目的のためにバッテリが用いられてもよい。オプション的に、透明な光学チャンバ２１６，２１８が、一次及び二次半導体光源２０４，２０８を収容するために、一次反射体２０６及び二次反射体２１０のそれぞれに取り付けられる。この特定の実施形態において、光学チャンバ２１６の下の一次反射体２０６のエリアは反射的である。一次反射体２０６の残りのエリアは透明である。同様に、光学チャンバ２１８の下の二次反射体２１０のエリアが反射的である一方で、一次反射体２１０の残りのエリアは透明である。

図３は、一次光学軸３０５をもち、反射的な一次反射体３０６に熱的に接続された一次半導体光源３０４を有する電球３０２を概略的に示している。一次反射体３０６は、動作の間に一次半導体光源３０４により生成された光を反射すること、及び、動作状態の間に半導体光源３０４により生成された熱を離れる方に伝達することの双方を可能にする。一次反射体３０６は、ケージ３０８を介してソケット３１０に機械的に接続される。ここで、ケージ３０８は、概ね開口構造体であり、例えば、複数の棒３１２を有する構造体である。一次透明光学チャンバ３１４は、一次反射体３０６に取り付けられてもよい。好ましくは、一次透明光学チャンバ３１４は、熱伝達を増大させるために透明なセラミック材料から作られる。

図４は、半透明の一次反射体４０６と熱的に連通する一次半導体光源４０４を有する電球４０２を概略的に示している。一次反射体４０６は、動作の間に一次半導体光源４０４により生成された熱を離れる方に伝達するために設けられる。電球は、半透明の二次反射体４１０と熱的に連通する二次半導体光源４０８を更に有する。二次反射体４１０は、動作の間に二次半導体光源４０８により生成された熱を離れる方に伝達するように構成される。この特定の実施形態において、一次及び二次反射体４０６，４１０は、相互に実質的に平行な構成で取り付けられる。更に、この特定の例において、一次反射体４０６と二次反射体４１０との間の距離ｄ_１は７ｍｍになる。

好ましくは、一次及び二次反射体４０６，４１０は、セラミック材料、例えばケイ酸マグネシウムから作られる。後者の材料の顕著な電気抵抗により、一次及び二次反射体４０６，４１０は、セラミックプリント回路基板として、即ちこの目的のために他の電気絶縁体を導入することなくプリント回路基板を取り囲むセラミックプリント回路基板として機能することを可能とする。ここで、一次及び二次半導体光源４０４，４０８は、一次及び二次反射体４０６，４１０を含む構造体に対して相互に反対側に配置される。一次及び二次反射体４０６，４１０は、ソケット４１２と電気的に接続している。透明な光学チャンバ４１６，４１８は、一次及び二次半導体光源４０４，４０８を収容するために、一次反射体４０６及び二次反射体４１０にそれぞれオプション的に取り付けられる。好ましくは、透明な光学チャンバ４１６，４１８は、透明なセラミック材料から作られる。

図５は、一次透明光学チャンバ５０６に収容された一次半導体光源５０４を有する電球５０２を概略的に示している。一次半導体光源５０４は、一次光学軸５０８をもつ。一次半導体光源５０４は、反射的な一次反射体５１０に熱的に接続される。一次反射体５１０は、動作の間に一次半導体光源５０４により生成された光を反射すること、及び、動作状態の間に一次半導体光源５０４により生成された熱を離れる方に伝達することの双方を可能にする。電球５０２は、二次光学軸５１６をもち、反射的な二次反射体５１８と熱的に連通する、二次透明光学チャンバ５１４に収容された二次半導体光源５１２を更に有する。二次反射体５１８は、動作の間に二次半導体光源５１２により生成された光を反射し、動作状態の間に二次半導体光源５１２により生成された熱を離れる方に伝達するように構成される。一次及び二次反射体５１０，５１８は、実質的に湾曲している。一次及び二次光学軸５０８，５１６と平行な実質的な成分をもつ方向に沿って光を反射する能力を増大させるために、一次及び二次反射体５１０，５１８は、一次及び二次半導体光源５０４，５１２のそれぞれに対してくぼんでいる。一次及び二次反射体５１０，５１８は、ソケット５２０に機械的に接続される。

図６は、一次光学軸６０６をもつ一次半導体光源６０４を有する電球６０２を概略的に示している。一次半導体光源６０４は、一次反射体６０８に熱的に接続される。一次反射体６０８は、動作状態の間に一次半導体光源６０４により生成された熱を離れる方に伝達可能である。電球６０２は、二次光学軸６１２をもち、二次反射体６１４と熱的に連通する二次半導体光源６１０を更に有する。二次反射体６１４は、動作状態の間に二次半導体光源６１０により生成された熱を離れる方に伝達するように構成される。一次及び二次光学軸６０６，６１２と同様の方向に向かって後方に放射された光を集光するために、一次及び二次反射体６０８，６１４は、一次及び二次半導体光源６０４，６１２をそれぞれ囲む局所的な凹部を備える。反射の目的のために、一次及び二次反射体６０８，６１４は、局所的な凹部の範囲内で反射的である。局所的な凹部を除いては、一次及び二次反射体６０８，６１４は透明である。一次及び二次反射体６０８，６１４は、ソケット６１６に機械的に接続される。

図７Ａは、底面図により電球７０２を概略的に示している。電球は、一次反射体７０８及び二次反射体７１０にそれぞれ熱的に連通するように取り付けられた、一次半導体光源７０４及び二次半導体光源７０６を有する。図７Ｂによれば、一次半導体光源７０４が一次光学軸７０５を備える一方で、二次半導体光源７０６は二次光学軸７０７をもつ。一次及び二次反射体７０８，７１０は、一次及び二次半導体光源７０４，７０６により動作の間に生成された光を反射し、一次及び二次半導体光源７０４，７０６のそれぞれからの熱を離れる方に伝達するように構成される。図７Ａによれば、電球７０２は、三次半導体光源７１２と四次半導体光源７１４とを更に有する。三次及び四次半導体光源７１２，７１４は、三次及び四次反射体７１６，７１８とそれぞれ熱的に連通する。一次及び二次反射体７０８，７１０は、一次及び二次半導体光源７０４，７０６により動作の間に生成された光を反射し、一次及び二次半導体光源７０４，６０６のそれぞれからの熱を離れる方に伝達するように構成される。図７Ｂから明らかなように、一次及び二次反射体７０８，７１０は、一次及び二次半導体光源７０４，７０６により動作の間に生成された光を特定の方向において集光するために実質的に湾曲される。好ましくは、一次及び二次反射体は、所望の任意の方向における光の集光を可能にするために、例えば顕著なプラスチック変形を可能とする材料から一次及び二次反射体を作ることにより、調節可能である。全ての反射体は、ソケット７２０に機械的に取り付けられ得る。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に示され、説明された一方で、これらの図示及び説明は、例示又は単なる例であり、限定的ではないものと見なされるべきである。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。本発明のシステム及び全ての構成要素は、それ自体知られたプロセス及び材料を適用することにより作られ得ることに留意されたい。特許請求の範囲及び明細書において、"有する"という用語は、他の要素を除外するものではなく、単数表記は、複数を除外するものではない。請求項中の如何なる参照符号もその範囲を限定するものとして考慮されるべきではない。請求項において規定された特徴の全ての取り得る組み合わせは本発明の部分であることに更に留意されたい。

Claims (14)

1. 一次半導体光源と、
   前記一次半導体光源と熱的に連通し、前記一次半導体光源により生成される熱を逃がす一次反射体と、
   前記一次反射体に取り付けられて前記一次半導体光源を収容する一次透過光学チャンバと、を有し、
   前記一次反射体は、前記一次透過光学チャンバにより覆われた表面エリアと、他の表面エリアと、を有し、
   前記一次反射体の他の表面エリアは、前記一次透過光学チャンバにより覆われた表面エリアよりも大きい、電球。
2. 前記一次反射体は、反射的、透明、及び／又は、半透明である、請求項１記載の電球。
3. 前記一次半導体光源と前記一次反射体との間に熱的な連通を具現化するためのプリント回路基板を有する、請求項１又は２に記載の電球。
4. 前記一次半導体光源に給電するソケットを有し、
   前記ソケットの差し込み方向と前記一次半導体光源の一次光学軸の方向とが実質的に垂直である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電球。
5. 前記一次反射体と熱的に連通する二次半導体光源を有し、前記一次半導体光源及び前記二次半導体光源は、前記一次反射体に対して相互に反対側に配置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電球。
6. 二次半導体光源と、
   前記二次半導体光源と熱的に連通し、前記二次半導体光源により生成される熱を逃がす二次反射体と、
   前記二次反射体に取り付けられて前記二次半導体光源を収容する二次透過光学チャンバと、を更に有し、
   前記二次反射体は、前記二次透過光学チャンバにより覆われた表面エリアと、他の表面エリアと、を有し、
   前記二次反射体の他の表面エリアは、前記二次透過光学チャンバにより覆われた表面エリアよりも大きい、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電球。
7. 前記二次反射体は、反射的、透明、及び／又は、半透明である、請求項６記載の電球。
8. 前記一次反射体及び前記二次反射体は、相互に実質的に平行である、請求項６又は７に記載の電球。
9. 前記一次反射体と前記二次反射体との間の距離は、前記一次反射体及び前記二次反射体が反射的である場合、６ｍｍよりも大きく、８ｍｍよりも小さい、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電球。
10. 前記一次反射体と前記二次反射体との間の距離は、前記一次反射体及び前記二次反射体が透明及び／又は半透明である場合、６ｍｍよりも大きく、１５ｍｍよりも小さい、請求項６乃至８のいずれか１項に記載の電球。
11. 前記一次半導体光源は、前記二次反射体から見て外側に向いている、前記一次反射体の一方側に配置され、前記二次半導体光源は、前記一次反射体から見て外側に向いている、前記二次反射体の一方側に配置される、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の電球。
12. 前記一次反射体は、セラミック材料を有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電球。
13. 前記一次反射体は、セラミックプリント回路基板として機能するように構成される、請求項１２に記載の電球。
14. 前記一次透過光学チャンバは、透過セラミック材料を有する、請求項１乃至１３に記載の電球。

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