JP6231353B2 - ヒートパイプ及び発光素子の冷却機構 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートパイプ及び発光素子の冷却機構に関する。

ＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子が発光に伴う発熱により温度上昇すると、素子の劣化や発光効率の低下を招く。そのため、発光素子を冷却する必要があるが、発光素子の近傍での放熱が難しい場合には、発光素子から熱を移送しなければならない。

引用文献１には、棒状の延伸部材でＬＥＤモジュールをグローブの中央位置に指示したＬＥＤランプが記載されている。延伸部材はＬＥＤに発生する熱をベース部材に伝える機能を有しており、高熱伝導率の材料、例えばアルミニウムで構成される。

引用文献２には、発光素子から熱を移すためのヒートパイプであって、無孔セラミックからなる封止された本体と、その内部の蒸気チャネルと、本体の内部のセラミックス芯と作動流体とを備えるものが記載されている。同文献記載のセラミックヒートパイプは例えばガラス又はアルミナである適切なセラミックにより成形される。

引用文献３には、中空ガラスの外壁側を緻密なガラスによる緻密ガラス層として形成し、中空ガラスの内壁側には細孔が形成されており、中空ガラスの両端が細孔で連通されているヒートパイプが記載されている。

特開２０１３−８８３９号公報 特表２０１２−５０４３３９号公報 特開２００８−１２２０２４号公報

照明用途など、発光素子の利用方法によっては、発光素子から熱を移送するための機構を目立たないものとすることが好ましい場合がある。いわゆるヒートパイプは熱輸送効率に優れており、発光素子からの熱の移送機構として適しているが、これをセラミックやガラスで作成したとしても、実用的に目立たないものとすることは難しい。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その課題は、発光素子からの熱の移送に適した、目立たないヒートパイプ及び、該ヒートパイプを用いた発光素子の冷却構造を提供することである。

上記課題を解決すべく本出願において開示される発明は種々の側面を有しており、それら側面の代表的なものの概要は以下のとおりである。

（１）内面に輸液溝が設けられ、少なくとも外面に屈折率調整層が設けられた透光性材料製の筒状本体と、前記筒状本体内に封入された作動流体と、を有し、前記屈折率調整層は、その屈折率が前記筒状本体自体の屈折率と、空気の屈折率の間の値をとる、ヒートパイプ。

（２）（１）において、前記屈折率調整層は、前記輸液溝よりサイズの小さい凹凸構造であるヒートパイプ。

（３）（２）において、前記凹凸構造のサイズは、２００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であるヒートパイプ。

（４）（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記屈折率調整層は、前記筒状本体の内面にも設けられるヒートパイプ。

（５）（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記筒状本体の外面の長手方向に沿って、細幅または透明の電極が設けられるヒートパイプ。

（６）（１）〜（５）のいずれかにおいて、前記作動流体は着色されているヒートパイプ。

（７）（１）〜（６）のいずれかのヒートパイプと、前記筒状本体の一端に設けられた発光素子或いは発光素子を搭載した透明または半透明の基板を有する発光素子の冷却構造。

上記（１）の側面によれば、発光素子からの熱の移送に適した、目立たないヒートパイプが得られる。

上記（２）又は（３）の側面によれば、別途の材料を必要とすることなく全反射を抑制することができる。

上記（４）の側面によれば、筒状本体内面における全反射も抑制され、より目立たないヒートパイプが得られる。

上記（５）の側面によれば、追加の配線を必要とせず、ヒートパイプ先端に取り付けた発光素子に電力を供給できる。

上記（６）の側面によれば、斬新な装飾効果のある発光素子からの冷却に適したヒートパイプが得られる。

上記（７）の側面によれば、発光素子からの熱の移送に適した、目立たないヒートパイプを用いた発光素子の冷却構造が得られる。

本発明の一実施形態であるヒートパイプの外観斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。 図２のＩＩＩ部分の部分拡大図である。 本発明の別の一実施形態である発光素子の冷却構造の例を示す外観斜視図である。 本発明のさらに別の一実施形態である発光素子の冷却構造の別の例を示す外観斜視図である。 本発明に係る発光素子の冷却構造を備えた照明器具の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態であるヒートパイプ１の外観斜視図である。ヒートパイプ１は、筒状本体２と、その一端に設けられた開口を閉鎖する蓋３により構成されている。

本実施形態では、筒状本体２は、一端が閉鎖され、他端が解放された中空の円筒形状である。しかしながら、筒状本体２は両端が解放されたものであってもよいし、また断面形状も円形でなく他の任意の形状であってよい。筒状本体２が両端が解放されたものである場合には、その両端を蓋３により閉鎖することになる。

筒状本体２はその特徴として、透光性材料製であり、可視光に対しておおよそ透明な物質で形成されることが挙げられる。ここで、可視光はその波長が４００〜８００ｎｍの光線（電磁波）を指すものとする。また、透光性とは、入射した光線を透過しやすい性質を指し、ここでは、材料として、２ｍｍ厚の資料を用いた際に、ＪＩＳ Ｋ７３６１−１に準じた測定により得られた全光線透過率が８０％を超えるものを透光性材料と呼ぶものとしている。

筒状本体２の材料は、透光性を有することのほか、熱伝導率（大きいほうがよい）、耐熱温度（高いほうがよい）、製造コスト（低い方がよい）を総合的に勘案して定められる。ＬＥＤ等の発光素子を例えば照明用途に用いる場合では、発熱量も多く、温度も１００℃以上に達するため、本実施形態では透光性アルミナセラミックスを筒状本体２の材料として選択しているが、この他にも一般的な無機ガラスや各種の透光性プラスチック、セラミックスを用いてもよい。

蓋３は好ましくは筒状本体２と同一の材料製とし、筒状本体２とは適宜の方法、例えばフリット接合法により接合され、筒状本体２内部の空間を閉鎖する。なお、蓋３と筒状本体２との接合方法は、使用する材料や想定される仕様温度を勘案して選択すればよく、フリット接合法以外にも例えば溶接や接着、原子拡散接合等任意の接合法を用いてよい。

また、図１で示したヒートパイプでは、蓋３の上面に発光素子、或いは発光素子を搭載した基板を実装することを想定しているため、筒状本体２の外面には、その長手方向に沿って電極４が設けられている。電極４は、筒状本体２の側面から蓋３の側面へと延び、さらに蓋３の上面に設けられたパッド電極５へと接続されている。ここでは、電極４の数は発光素子の陰極と陽極に対応する２本として示されているが、この数は必要に応じて設けてよい。また、電極４は金属線とする場合、図示のように目立たないよう細幅のものとすることが好ましく、導電性ペースト、例えば銀ペーストの印刷や、銅など任意の金属箔の貼り付け、メッキ、蒸着等任意の手法により形成してよい。線幅はヒートパイプ１全体の大きさにもよるが、好ましくは２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下とする。あるいは、電極４としてＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような導電性透明金属酸化物による透明電極を用いてもよい。この場合、電極４の電気抵抗をできるだけ小さいものとするため、透明電極の幅を太くする方が望ましいが、必ずしもこの限りでない。また、ヒートパイプ１の端部に設ける発光層への給電をワイヤ等別途の手段により行う場合には、電極４は必ずしも必要でなく、省略しても差し支えない。

図２は図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。筒状本体２は、その長手方向に垂直な断面において中空の構造をしており、その内面に2輸液溝６が設けられている。輸液溝６は、筒状本体２内部に封入された作動流体を毛細管現象を利用して筒状本体２の長手方向に移送するためのものであり、そのサイズや形状は作動流体の移送に適したものが選択される。本実施形態の場合、輸液溝６は筒状本体２の長手方向に沿って設けられた多数の直線状の溝である。本実施形態では、溝のピッチ、幅及び深さはいずれも０．１〜２ｍｍ程度が選択される。なお、以降では溝を含む凹凸構造のサイズという場合には、その凹凸構造のピッチ、幅及び深さのうち最大のものを指すものとする。ピッチ、幅及び深さにばらつきがある場合にはその平均値を用いる。

図３は図２のＩＩＩ部分の部分拡大図である。筒状本体２は、その内面に凹凸構造である輸液溝６が形成されているが、筒状本体２の表面に形成されている凹凸構造はそれだけでない。本実施形態では、さらに輸液溝６よりそのサイズの小さい凹凸構造が筒状本体２の内面と外面の両方に形成されており、かかる凹凸構造により屈折率調整層７が構成されている。

屈折率調整層７は、その屈折率が筒状本体２自体の屈折率と、空気の屈折率の中間の値をとるよう調整される層である。屈折率調整層７としては、筒状本体２の表面に適当な屈折率をもつ材料の層を設けるようにしてもよいが、本実施形態のように、筒状本体２の表面形状により、物理的性状と異なる屈折率を示す層を設けると、異なる材料を用意する必要がない。屈折率調整層７を凹凸構造により実現するためには、そのサイズを、筒状本体２が透過しようとする光線の半波長以下に抑える必要がある。ここでは、可視光を想定しているため、屈折率調整層７の凹凸構造のサイズは少なくとも４００ｎｍ以下であり、２００ｎｍ以下であることが好ましい。また、可視光に対して屈折率が異なる層としての性質を示すためには、屈折率調整層７の凹凸構造のサイズは筒状本体２が透過しようとする光線の波長に対してあまりに小さいものであってはならず、１／４波長程度以上であることが望ましい。したがって、屈折率調整層７の凹凸構造のサイズは少なくとも２００ｎｍ以上であり、１００ｎｍ以上であることが好ましい。

この屈折率調整層７を設ける理由は、筒状本体２内部に侵入した光線の全反射を低減するためである。筒状本体２と筒状本体外部又は内部の空間との屈折率の差が大きいと、筒状本体２内部に侵入した光線は容易に全反射を起こし、筒状本体２内部を伝播する。この状態では、いかに筒状本体２の全光線透過率が高くとも、筒状本体２を目視した際に、そのシルエットを背景と容易に区別することができるので、筒状本体２が目立ってしまう。そこで、屈折率調整層７を設け、筒状本体２内部での全反射を低減すると、大部分の光線は若干の屈折は示すものの筒状本体２を透過してくるので、筒状本体２を目視した際により透明で目立たないものとできるのである。

なお、この効果は特に、筒状本体２から外部へと出射しようとする光線の全反射を抑える際に大きいので、この屈折率調整層７は、少なくとも筒状本体２の外面に設けられることになる。もちろん、さらに筒状本体２の内面にも屈折率調整層７を設けることが好ましい。その場合には、筒状本体２を目立たなくする効果がより高くなるほか、移送量は多くないものの、毛細管現象による作動流体の移送効果の向上も見込める。

以上の通り、輸液溝６のサイズは作動流体の移送に適したサイズとされる一方、屈折率調整層７の凹凸構造のサイズは透過させようとする光線の波長のオーダーとされるため、一般に、輸液溝６のサイズよりはるかに小さいものとなる。

筒状本体２内部に封入される作動流体は、想定される用途における熱位相に適したものが選定される。具体的には、想定される温度により蒸発し相変化を起こすものであること、相変化に伴う潜熱の大きさ、粘度、表面張力、筒状本体２に対する接触角、光線に対する透明性といった種々の要因を検討し選択される。作動流体としては、水や、エタノール、メタノール等のアルコール類、エステル類、エーテル類、フルオロカーボン類、クロロフルオロカーボン類、ハイドロフルオロカーボン類等の各種のものを使用してよいが、本実施形態では、水を用いている。また、作動流体の各種物性、すなわち、粘度、表面張力、接触角等を調整するために添加剤を添加してよい。

続いて、本実施形態に係るヒートパイプ１の製造方法を説明する。ヒートパイプ１の製造方法は、筒状本体２の材質にも依存するので一概に説明することはできないが、ここでは、先に述べたように透光性アルミナセラミックスを筒状本体２及び蓋３の材料とした場合を代表として述べる。

まず、アルミナ粉末をバインダーと混合し、いわゆる圧粉成形の手法により圧縮し、筒状本体２の形状を形成する。このとき、筒状本体２の内面には輸液溝６の形状が既に形成される。その後、成形体を適宜の温度で焼結することにより、筒状本体２の外形が得られる。

焼結直後の筒状本体２の表面には屈折率調整層７となる凹凸は形成されていないので、その後、筒状本体２の表面にケミカルエッチングを施すことで粗面化し、屈折率調整層７を形成する。エッチ液としては、例えば、高濃度（例えば、９５％以上）のリン酸水溶液を用いるとよい。この際、筒状本体２の内面のエッチングのためには、適宜の方法によりエッチ液の筒状本体２の内部への充填と排出を繰り返すとよい。或いは、筒状本体２が両端が開口している形状であれば、エッチ液を筒状本体２の内部で流動させるとよい。

エッチングが終わると筒状本体２を洗浄し、内部に作動流体、ここでは水を必要量充填し、蓋３により筒状本体２を閉鎖する。ここでは、アルミナフリットを用いたフリット接合により蓋３を筒状本体２に接合する。

最後に、筒状本体２及び蓋３の外面にマスクを施し、電極４及びパッド電極５の形状にアルミニウムを蒸着した後、銅による電解メッキをして電極４及びパッド電極５を作成し、マスクを剥離することにより、ヒートパイプ１が得られる。

図４は、本発明の別の一実施形態である発光素子の冷却構造８の例を示す外観斜視図である。発光素子の冷却構造８は、ヒートパイプ１の一端に発光素子９が設けられた構造となっている。ここで、ヒートパイプ１は、先に説明した実施形態のものと同一である。発光素子９は、照明用の高輝度ＬＥＤのベアチップであり、蓋３上に直接実装され、その陽極及び陰極はそれぞれ電極４に接続されている。なお、発光素子９と蓋３との間に熱伝達を促進する適宜の材料を介在させてもよい。例えば伝熱グリースを塗布したり、伝熱性接着剤により発光素子９を蓋３に固定してもよい。また、発光素子９を保護するため適宜の封止をしてもよい。

このような冷却構造８では、ヒートパイプ１の発光素子９が設けられた端部は加熱端とされ、発光素子９の発光に伴う発熱は蓋３や筒状本体２の一端に伝わり、さらに筒状本体２内部に封入された作動流体へと伝達される。一方、ヒートパイプ１の発光素子９とは反対側の端部は放熱部材に接続され、冷却端とされる。ここで、蓋３や筒状本体２は透光性材料製であるので、熱伝導率の高い銀、銅やアルミニウム等の金属材料と比較すれば、放熱端及び冷却端における熱伝達率は必ずしも大きくない。しかしながら、ヒートパイプ１の長手方向の熱伝導においてはその抵抗が殆どなく、その熱伝導率は極めて高い。そのため、ヒートパイプ１が長くなれば、ヒートパイプ１と外形が同じ金属材料を用いた場合に比べ、全体としての冷却性能が上回り、効率のよい熱の移送ができることになる。

加えて、発光素子９の下方に出射した光線は、蓋３や筒状本体２により若干の屈折はするものの、筒状本体２内部であまり全反射をすることなく透過してくるため、ヒートパイプ１は目立つことなく、あたかも発光素子９が宙に浮いているかのような視覚的効果が得られることになる。

図５は、本発明のさらに別の一実施形態である発光素子の冷却構造８の別の例を示す外観斜視図である。本実施形態では、ヒートパイプ１の加熱端に発光素子９を搭載した透明または半透明の基板１０が設けられている点が先の実施形態と異なっている。基板１０は絶縁性、伝熱性に優れ、光線を透過あるいは半透過する性質をもつものであり、たとえば、アルミナセラミックス基板である。基板１０の上には複数のＬＥＤ素子が設けられており、それら素子の陽極及び陰極は電極４に接続されている。このような構造においても、ヒートパイプ１は基板１０からの効率の良い熱の移送をし、同時に視覚的に目立たない。

なお、ヒートパイプ１及び発光素子の冷却構造８の用途に特に制限はなく、引用文献１に示されているようなＬＥＤランプ以外に用いてよいことはもちろんである。そのようなものとして、図６には本発明に係る発光素子の冷却構造８を備えた例として照明器具１１を示した。

照明器具１１は、ベース１２に多数の（図示の例では７つの）発光素子の冷却構造８を取り付けた構造をしており、それぞれの発光素子９にはベース１２から電力が供給されるようになっている。また、ヒートパイプ１の冷却端はベース１２に固定されており、ベース１２には発光素子９の発光の際に生じた熱が伝達され、ベース１２より周囲の外気等にその熱が放散されるようになっている。このように、発光素子の冷却構造８を用いることにより、斬新な装飾効果のある照明器具１１を得ることもできる。

なお、ここでヒートパイプ１の長さは必ずしも互いに等しくなくともよい。さらに、ヒートパイプ１内部に封入する作動流体に着色することにより、独特の装飾効果が得られる。作動流体への着色は必ずしもすべてのヒートパイプ１についてする必要はなく、また、色は互いに等しくとも、異なっていてもよい。

以上説明した実施形態に示した具体的な構成は例示として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定するものではない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、各部材あるいはその部分の形状や数、配置等を適宜変更してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ ヒートパイプ、２ 筒状本体、３ 蓋、４ 電極、５ パッド電極、６ 輸液溝、７ 屈折率調整層、８ 発光素子の冷却構造、９ 発光素子、１０ 基板、１１照明器具、１２ ベース。

Claims (7)

1. 内面に輸液溝が設けられ、少なくとも外面に屈折率調整層が設けられた透光性材料製の筒状本体と、
   前記筒状本体内に封入された作動流体と、を有し、
   前記屈折率調整層は、その屈折率が前記筒状本体自体の屈折率と、空気の屈折率の間の値をとる、ヒートパイプ。
2. 前記屈折率調整層は、前記輸液溝よりサイズの小さい凹凸構造である請求項１に記載のヒートパイプ。
3. 前記凹凸構造のサイズは、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下である請求項２に記載のヒートパイプ。
4. 前記屈折率調整層は、前記筒状本体の内面にも設けられる請求項１〜３のいずれかに記載のヒートパイプ。
5. 前記筒状本体の外面の長手方向に沿って、細幅または透明の電極が設けられる請求項１〜４のいずれかに記載のヒートパイプ。
6. 前記作動流体は着色されている、請求項１〜５のいずれかに記載のヒートパイプ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のヒートパイプと、
   前記筒状本体の一端に設けられた発光素子或いは発光素子を搭載した透明または半透明の基板を有する発光素子の冷却構造。

Images