JP6301913B2 - 特に自動車用ランプのためのｌｅｄランプユニット - Google Patents

Description

本発明は、対向半空間に放射するようにランプユニットの２つの反対側の側部に配置される少なくとも２つのＬＥＤ光源を有するＬＥＤランプユニット、並びに前照灯又はシグナルランプ（＝自動車用ランプ）に関し、ＬＥＤランプユニットは、ＬＥＤ光源から放射された光が当該ランプの光放射方向に向かってリフレクタによって向けられるように、自動車用ランプのリフレクタによって少なくとも部分的に囲まれる体積の内部に完全に配置される。

自動車用前照灯用途に用いられるハロゲン、キセノン及び白熱バルブは、精密な幾何学的形状を持つ高輝度フィラメントを有する。これに反して、エネルギ効率並びに寿命は、他の光源技術、特にＬＥＤ技術と比べて、著しく低い。

自動車用シグナルランプに用いられる白熱バルブはより少ない輝度を有し、幾何学的形状の許容誤差はあまり重要ではない。しかし、限られた寿命のために、シグナルランプのためにＬＥＤ技術を利用することは興味深い。

現在、自動車用ハロゲン及び白熱バルブに匹敵する又は自動車用ハロゲン及び白熱バルブと比べてさらにかなり高い輝度を持つＬＥＤが市販されている。ＬＥＤは、球の二分の一だけに放射する一方、ハロゲン及び白熱バルブのコイルは、完全な半球に放射する。したがって、フィラメントバルブのために開発された前照灯の光学部品は、シングルＬＥＤの放射パターンに適合しない。複数の高輝度ＬＥＤは、放射パターン並びに幾可学的形状が、フィラメントバルブの対応する放射パターン及び幾何学的形状に似るとともに既存の自動車用光学コンポーネントを効率的に利用するような幾何学的形状に配置されなければならない。

特許文献１は、自動車用ランプのためのＬＥＤランプユニットを開示し、ここでは２つのＬＥＤが、対向半空間に放射するように共通の取付プレートの２つの反対側の側部に取り付けられる。取付プレートは、一方の側部において、幾つかの冷却フィンを有するヒートシンクに熱的に接続される。ファンが、ヒートシンクの強制空冷を生じさせるためにヒートシンクの後側に配置される。提案された自動車用ランプでは、２つのＬＥＤがランプのリフレクタによって囲まれる体積の内側に配置される一方、大きいヒートシンク及びファンが外側に配置される。このようなランプユニットは、ハロゲン及び白熱バルブを使用する既知の構造と比べて異なるランプの構造を必要とする。

ＵＳ ２０１０／０２４４６４９ Ａ１

本発明の目的は、自動車用ランプの既知のハロゲン及び白熱バルブを、このようなランプの構造を変えることなしに簡単に交換できるランプユニットを提供することである。

この目的は、請求項１によるＬＥＤランプユニットで達成される。請求項１１は、請求項１によるＬＥＤランプユニットを含むシグナルランプ又は前照灯になり得る自動車用ランプに関する。ＬＥＤランプユニット及び前照灯又はシグナルランプの有利な実施形態は、従属請求項の主題である又は説明及び好適な実施形態の後続の部分に開示される。

提案されるＬＥＤランプユニットは、少なくとも２つのＬＥＤ光源、ＬＥＤ光源を電気的に接続するための電気コネクタベース及びＬＥＤ光源の支持部材と熱的に接触するヒートシンクを有する。ＬＥＤ光源は、ランプユニットの２つの反対側の側部において対向半空間に放射するように電気コネクタベースとヒートシンクの少なくとも一部との間に配置される。任意選択で、ヒートシンクの強制空冷のための電動ファンが、冷却力を増加させるためにヒートシンクに配置されることができる。

有利な実施形態では、少なくとも２つのＬＥＤ光源が、対向半空間又は方向に放射するように、共通の板状の支持部材、特に取付プレートの２つの反対側の側部に、配置される。電気コネクタベース及び支持部材と熱接触しているヒートシンクは、支持部材の反対側の側端部に配置される。

提案されるＬＥＤランプが、前照灯又はシグナルランプに取り付けられるとき、ヒートシンクの少なくとも一部はしたがって、ＬＥＤと前照灯の光放射側との間に配置され、この光放射側に直接向かうＬＥＤによって放射される光の一部をブロックする。これは、ランプの眩惑効果が減少されるという利点を有する。

ＬＥＤランプユニットのこのような構造では、反対側の半球両方への照明が、ハロゲン及び白熱バルブの照明と同様に達成される。電気コネクタベースの反対の側部へのヒートシンクの少なくとも一部の配置は、自動車用ランプのための既知のハロゲン及び白熱バルブのものと同様の細長い形状及び寸法を可能にする。ＬＥＤランプはしたがって、自動車用ランプの既知のハロゲン及び白熱バルブを、このようなランプの構造を変えることなしに簡単に交換できる。

好適な実施形態では、２つの別個のヒートシンクが、支持部材と熱的に接触して、板状支持部材の２つの反対側の端部に配置される。これらのヒートシンクの一方はしたがって、電気コネクタベースと支持部材との間に配置される。ヒートシンクは、幾つかの冷却フィンを有し得る。冷却力を向上させるために、電動ファンが、ヒートシンクの冷却フィンの間のギャップを通ってＬＥＤ光源に向かう冷却気体、特に冷却空気の流れを発生させるように、電動ファンが、ヒートシンクの一方又は両方に配置される。

共通の板状支持部材の両方の反対側の端部における２つのヒートシンクのこの配置を用いて、ＬＥＤランプユニットの細長い形状はまた、ハロゲン又は白熱バルブの細長い形状と同様に達成されることができる。ヒートシンクの両方の反対側の端部におけるファンの使用は、ＬＥＤランプユニット全体の効果的な冷却を提供する。この構造及び効果的な冷却のために、このようなＬＥＤランプユニットは、高出力で動作されるとしても自動車用ランプのための既知のハロゲン及び白熱電球バルブのものと同様な小さい寸法で設計されることができ、したがって、このようなランプを光学システム及びランプの構造の如何なるさらなる変更なしで交換することができる。

好適な実施形態では、２つのヒートシンクは、冷却フィンの間のギャップが支持部材／ＬＥＤ光源に向かって及びファンに向かって開かれるように、形成される。これらのギャップはしたがって、ファンとＬＥＤ光源との間に延びる連続的な冷却チャンネルを形成する。このような配置を用いて、冷却気体又は冷却空気は、２つの反対側の側部からヒートシンクを通ってＬＥＤ光源に向かって強制的に移動され、また直接これらのＬＥＤ光源を冷却する。両側からの冷却気体又は冷却空気の対向流は、ランプユニットのさらに向上した冷却をもたらす。この効率的な冷却のために、ヒートシンクは、さらにコンパクトな形態に寸法決めされることができる及び／又はランプは、より高い電力で駆動されることができる。

好ましくは、２つのファン、２つのヒートシンク及びＬＥＤ光源を備える中間支持部材を含んでいたとしても、ＬＥＤランプユニット全体は、長手方向に、すなわち２つのファンの軸の間の方向に、８０ｍｍ未満の、より好ましくは５０ｍｍ以下の寸法及び、２０ｍｍ未満の、より好ましくは１５ｍｍ以下の、この長手方向と垂直な直径を有する。この文脈における直径は、上記長手方向と直角なランプユニットの最も長い延長の方向を示す。

支持部材は好ましくは、ヒートシンクと一体に形成されるが、任意の他の方法でヒートシンクに機械的に接続されてもよい。支持部材は、高熱伝導材料、好ましくは金属板で作られる。

提案されるＬＥＤランプユニットは、例えば、自動車用前照灯で一般的に使用されるのＨ７バルブと又は将来においてキセノン高輝度ディスチャージバルブとさえ交換され得る。とはいえ、ＬＥＤランプユニットはまた、他のランプ、特にコーナリングライト又はフォグランプリフレクタにも使用され得る。

提案される前照灯又はシグナルランプは、少なくともリフレクタ及び提案されるＬＥＤランプユニットを有する。このような前照灯又はシグナルランプでは、ＬＥＤランプユニットは、リフレクタによって囲まれる体積の内部に完全に配置されるので、ＬＥＤ光源によって放射される光は、当該リフレクタによってランプの光放射方向に向けられる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになるであろうとともに以下に記載される実施形態を参照して説明される。
本発明によるＬＥＤランプユニットの例の断面図を示す。 ファンなしのランプユニットの一部の斜視図を示す。 前照灯における提案されるＬＥＤランプユニットの配置を概略的に示す。 ＬＥＤランプによって交換されることになるハロゲンランプの図を示す。 図４のハロゲンランプを交換する本発明によるＬＥＤランプの例を示す。 前照灯における提案されるＬＥＤランプユニットのさらなる実施形態の配置を概略的に示す。 本発明によるＬＥＤランプユニットのさらなる例の断面図を概略的に示す。

図１は、提案されるＬＥＤランプユニットの例を断面図を示す。この例では、ＬＥＤランプユニット１０は、非常に薄い金属板１に背中合わせで取り付けられるとともに反対方向に又は半空間に放射する２つの高輝度ＬＥＤ２を有する。ヒートシンク３、４は、金属板１の端部の反対側で金属板１又はＬＥＤ表面に直角に取り付けられる。ヒートシンク３、４は、ＬＥＤ２とヒートシンク３，４の後側に取り付けられたファン５，６との間に延びる幾つかの冷却フィン７を有する。ヒートシンク３、４の冷却フィン７の間に形成されるギャップ８は、ファン５，６に向かって及びＬＥＤ光源２に向かって開かれる。このような配置を用いて、最大の冷却効果が、ＬＥＤ２に向かう反対方向の吹き出し空気によって達成されることができる。

図１の実施形態では、ヒートシンクは、大きい立体角でのＬＥＤ光の放射を達成するためにＬＥＤ２に面するそれらの端部においてテーパ形状にされる。ＬＥＤ及びファンへの電気接続部並びに電気コネクタベースは図に示されていない。これらの電気接続部は、金属板１及びヒートシンク３、４に又はこれらのヒートシンクの冷却フィン７に取り付けられる絶縁された線によって作られ得る。

ランプユニット全体１０は、全ての最先端の自動車用ロービーム、ハイビーム、コーナリングライト又はフォグランプリフレクタに適合する寸法を有するように設計される。例えば、Ｈ７組み込みを考えると、ヒートシンク３、４とファン５、６の最大直径Ｄは１５ｍｍである。ファン５，６の軸９を接続する長手方向に沿って測定されるＬＥＤランプユニットの最大長さは、−ヒートシンク及びファンを含む−、５０ｍｍである。このようなＬＥＤランプユニットをＨ７前照灯に導入するとき、シャープなカットオフラインが達成されることができ、適法なロービームパターンが、対応するハロゲン又は白熱光源のわずかな電力消費で可能である。

図２は、このようなランプユニットの例の斜視図を示し、ここではファン５、６は描かれていない。図では、ヒートシンク３、４、支持部材を形成する金属板１並びにＬＥＤ２の１つを認識することができる。図はまた、冷却フィン７及びこれらの冷却フィン７の間のギャップ８を概略的に示す。

図３及び図６は、このようなランプユニット１０がハロゲンバルブの替わりに取り付けられる前照灯の例を示す。図３は、２つのヒートシンクを持つランプユニットを示し、図６は１つのヒートシンクのみを持つランプユニットを示す。前照灯は、ランプユニット１０のＬＥＤによって放射される光を自動車用ランプの放射方向１２に向かって反射するためのリフレクタ１１を有する。ランプの放射側への１つのヒートシンクのみの提供は、ハロゲン又は白熱バルブを使用するときの配向と同じであるランプの放射の配光を達成することができる。図３のような２つのヒートシンクの場合、ＬＥＤ光の一部は、リフレクタとともにこのような同一の配向を達成するために必要である第２の（内側の）ヒートシンクによって、ブロックされるであろう。

以下の段落では、提案される解決策の実現可能性が、シミュレーション環境ＡＮＳＹＳで実行されるケーススタディを用いて示される。図４のＨ７ランプが指定された利用可能なスペースと交換されなければならないことを仮定する。図示された白い領域は、ＬＥＤ、ヒートシンク及び２つのファンを配置するために使用されることができる利用可能なスペースである。全てのこれらの構成部品は、そうでなければ光学的なバリアである平行な実線によってハッチングされた領域と重なってはならない。図に示された寸法はミリメートルである。

このようなシステムのためのヒートシンクの設計が図５に示される。２つのファン５，６が、ヒートシンク３、４の２つの端部に長方形によって概略的に示される。これらのファン５，６は、ヒートシンク３，４から１ｍｍ離れて配置される。図示されるように、ＬＥＤ２は、ヒートシンクのベースプレート１の２つの反対側の側部に配置される。これらのＬＥＤ２の全体の熱放散は６Ｗであると仮定される。図４の基準面１３は、ハロゲンランプの前側と後側との間の分離領域であり、これは図５に示される分離面１３によってモデル化される。ベースプレート１を含むヒートシンク３，４は、４００Ｗ／ｍＫの熱伝導率を備える銅で作られる。図５に示されるように、これらの構成部品は、１１０ｍｍ×７５ｍｍ×４０ｍｍの長さ、幅及び奥行きをそれぞれ持つ内部空気領域１４に配置される。

ファン５の特性は、ゼロ静圧において１６．２７ ｌ／ｍｉｎの最大空気流量を持つｓｕｎｏｎファンであるＵＦ３Ｈ３−７００と同一である。ファン６は、ゼロ静圧において８．７５ ｌ／ｍｉｎの最大空気流量を持つ同じファンサプライヤからのＵＦ３Ｆ３−７００であるように選ばれる。これらのファンの圧力対流量曲線は、シミュレーションにおいて考慮された。

当然、図４の左側は、車のエンジンによって生じた温度及び流れパターンに曝される車のランプの後側である。図４の右側は、外部環境に曝される。これらの外部条件をシミュレートするために、図５に描かれる境界条件が適用される。シミュレーションは、剪断応力輸送乱流モデルを用いるＡＮＳＹＳ ＣＦＸシミュレーション環境で実行された。表面対表面放射モデルが、放射輸送メカニズムを考慮するために含められた。

シミュレーションの結果として、１４０℃の最大温度が、ＬＥＤ位置において到達されることができ、これは、ＬＵＸＥＯＮ Ｆ ＬＥＤによって容易に取り扱われることができる。ヒートシンクから空気への熱除去は２つのステップで生じる：
１．ヒートシンクの冷却チャンネルから空気への熱除去
２．ＬＥＤ位置におけるヒートシンクの中央からの熱除去。

第１の熱伝達メカニズムは、互いに向かって動作するファンを通じて増進され、冷却チャンネルの表面の熱伝達係数を向上させる「境界層薄化」をもたらす。第２の熱伝達メカニズムは、この場合もまた、このユニークな構造で動作するファンを通じて増進される。２つの主空気流の流れは、ＬＥＤが配置されるヒートシンクの中央において高速で互いにぶつかり、システムの最も熱い点において「境界層除去」をもたらし、これは熱伝達率を非常に上昇させる。この現象は、境界層が垂直な面上で衝突する空気流を通じて除去されるところでのホットスポットのジェット冷却と似ている。この発明では、垂直な面は、反対方向に動作するファンによって作られる又は模倣される。

図７は、提案されるＬＥＤランプユニットのさらなる例を断面図で示す。この例では、２つの高輝度ＬＥＤ２が、この例では側面又はヒートシンク３に互いに１２０°の角度で取り付けられた別個の支持部材１５に取り付けられる。この角度は１２０°に限定されるものではなく、好ましくは２０°から１６０°の間の範囲で選択される。ヒートシンクは、電気コネクタベース１６に接続される。この配置のために、ＬＥＤはまた、対向半空間に（図の上方側及び下方側に）放射する。このような実施形態は、ＬＥＤ２によって放射される光の大部分がリフレクタ（図示せず）の中心部分に向けられ、したがってランプの放射方向に向かってリフレクタでの反射によって放射されるので、シグナルランプでの使用に有利である。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であるとみなされるべきであり、本発明を限定するものとみなされるべきではない。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。図面、開示及び添付の請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。ヒートシンクはまた、図面と異なって形成され得る。冷却フィンの間に形成されたギャップは、互いに平行に且つランプユニットの長手方向と平行に延び得る。とはいえ、これらのギャップはまた、互いに対して及びこの長手方向に対して傾き得る。図面は２つの反対側のＬＥＤ光源のみを示しているが、２より多いＬＥＤも配置され得る。請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞“ａ”又は“ａｎ”は複数性を除外するものではない。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。特に、請求項７及び１１の特徴は、全ての先行する請求項の特徴と自由に組み合わされることができる。請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

１ 金属板
２ ＬＥＤ
３ ヒートシンク
４ ヒートシンク
５ ファン
６ ファン
７ 冷却フィン
８ ギャップ
９ ファン軸
１０ ＬＥＤランプユニット
１１ リフレクタ
１２ 放射方向
１３ 基準／分離面
１４ 内部空気領域
１５ 支持部材
１６ 電気コネクタベース

Claims (12)

1. ＬＥＤランプユニットであって、
   − 少なくとも２つのＬＥＤ光源、
   − 前記ＬＥＤ光源の支持部材、
   − 前記ＬＥＤ光源を電気的に接続するための電気コネクタベース、及び
   − 前記ＬＥＤ光源の前記支持部材と熱的に接触するとともに互いに離間して且つ平行に配置される複数の冷却フィンを有するヒートシンク、を有し、
   前記少なくとも２つのＬＥＤ光源は、共通の板状の前記支持部材の反対側の側部に配置され、
   前記共通の板状の支持部材は、前記共通の板状の支持部材の一方の端部における前記ヒートシンクの少なくとも第１の部分と前記共通の板状の支持部材の反対側の端部における前記電気コネクタベースとの間で前記ＬＥＤランプユニットの長手方向に延び、
   前記ヒートシンクは、前記ＬＥＤ光源によって放射される光の一部をブロックし、それぞれの前記冷却フィンが前記ＬＥＤランプユニットの前記長手方向に延びる、
   ＬＥＤランプユニット。
2. 前記ヒートシンクの第２の部分が、前記支持部材と熱的に接触して、前記電気コネクタベースと前記板状の支持部材との間に配置される、
   請求項１に記載のＬＥＤランプユニット。
3. 電動ファンが、前記ヒートシンクに配置される、
   請求項１又は２に記載のＬＥＤランプユニット。
4. 前記電動ファンは、前記ヒートシンクに、前記冷却フィンの間のギャップを通って前記ＬＥＤ光源に向かう冷却気体の流れを生成するよう、配置される、
   請求項３に記載のＬＥＤランプユニット。
5. 前記ギャップは、前記ＬＥＤ光源に向かって開かれ、前記冷却気体の流れが前記ＬＥＤ光源に当たることを可能にする、
   請求項４に記載のＬＥＤランプユニット。
6. 前記板状の支持部材は、前記ヒートシンクと一体に形成される又は前記ヒートシンクに直接機械的に接触する、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニット。
7. 前記板状の支持部材は、金属板である、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニット。
8. 前記ＬＥＤ光源は白色ＬＥＤである、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニット。
9. 前記電動ファンが前記ヒートシンクの前記第１及び前記第２の部分に配置され、
   ２つの前記電動ファンの中心をつなぐ第１の方向に沿って測定される前記ランプユニットの延長線は、５０ｍｍ未満であり、前記第１の方向と直交する第２の方向に沿って測定される前記ランプユニットの直径は２０ｍｍ未満である、
   請求項２を引用する請求項３乃至５、並びに、請求項２及び３を引用する請求項６乃至８のうちのいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニット。
10. 前記ヒートシンクは、前記ＬＥＤ光源に向かってテーパ形状にされる、
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニット。
11. リフレクタ及び請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＬＥＤランプユニットを少なくとも有する前照灯又はシグナルランプであって、
    前記ＬＥＤランプユニットは、前記ＬＥＤ光源によって放射される光が前記リフレクタによって前記前照灯又はシグナルランプの光放射方向に向けられるように、前記リフレクタに少なくとも部分的に囲まれる体積の中に完全に配置される、
    前照灯又はシグナルランプ。
12. 前記リフレクタは、パラボラリフレクタである、
    請求項１１に記載の前照灯又はシグナルランプ。

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