JP6377432B2 - Ｌｅｄ投光器 - Google Patents

Description

本発明は、発光手段として多数のＬＥＤ素子を配置したＬＥＤ投光器に係り、点灯駆動に伴うＬＥＤ素子および電源部の発熱を効率よく低減する放熱構造を備えたＬＥＤ投光器に関する。

発光性能の向上と低消費電力という特性から、発光デバイスにＬＥＤ素子（発光ダイオード）を用いた照明器具が実用化されている。ＬＥＤ素子を用いた照明器具（以下、ＬＥＤライトとも称する）は、１又は複数のＬＥＤ素子を実装容器（灯器）に封止して構成した屋内照明用の比較的低光量出力の電灯型から、公共施設や競技場などの照明に用いる投光器まで多様な光出力、形状、サイズのものが実用化がなされている。また、その点灯のための駆動電源は、ＬＥＤ素子と共に共通の灯器に収容されたもの、ＬＥＤ素子の灯器とは別のユニット（電源ユニット）として灯器本体とは別部品としたものなどがある。

大光量が要求されるＬＥＤ投光器は、単独で用いられるだけでなく、屋外競技場などで用いるものでは、複数のＬＥＤ投光器を縦横に配列して全体として大光量の投光装置としている。このような投光装置に用いるＬＥＤ投光器は、屋内等で使用されるＬＥＤ照明器具に比べ、一つのＬＥＤ投光器に搭載されるＬＥＤ素子の数が多く、これの多数を投光装置として配列した場合には、その発熱量は膨大なものとなる。

ＬＥＤ素子は電流駆動であり、発光効率もその電源効率も含めて現状では約８０Ｌｍ／Ｗから２００Ｌｍ／Ｗ（ロードマップ：２０２０年）であり、発光に寄与しない電力は熱となって灯器に滞留する。複数のＬＥＤ投光器を配列した投光装置の場合には、個々のＬＥＤ投光器に備える通常の放熱フィンなどのヒートシンクでは十分な放熱効果を得ることは困難である。強制冷却ファンや液体循環冷却構造を備えたものもあるが、設置コストの増加は無視できない。また、電源回路からの発熱も処理しなければならない。

このようなＬＥＤ投光器における上記したＬＥＤ素子と電源回路の発熱の処理（放熱）構造に関する従来技術を開示したものとしては、特許文献１、特許文献２、特許文献３などを挙げることができる。

特許文献１に開示のＬＥＤ照明装置は、背面に放熱フィンを形成したアルミニウム金属で形成した器具本体の表面に複数のＬＥＤ素子を搭載したＬＥＤユニットを取り付け、前記放熱フィンの上に電源装置を固定することで器具本体と電源装置を熱的に分離し、ＬＥＤユニットの熱を電源装置の熱に阻害されずに放熱する構成を開示する。

また、特許文献２では、アルミニウム部材で成形した略方形体状の冷却装置を用い、その下面にＬＥＤを搭載した実装基板を設置している。冷却装置には、その側面から上面に通じる通気路が設けてあり、ＬＥＤの点灯に伴って発生する熱で通気路内の空気が暖められ、上昇気流となって上面の開口から流出する。この空気流で側面の開口から周囲の冷気が開口に流入し、同様にして上昇気流となり、これが連続することでＬＥＤの点灯に伴って発生する熱を放熱するように構成している。

特許文献３に開示された照明装置は、ＬＥＤを搭載した器具本体の背面に放熱部材を設け、放熱部材に冷却ファンと気流を取り付けることで、冷却ファンによるＬＥＤの放熱効果を向上させる構造を開示する。

特開２００８−９８０２０号公報 特開２０１２−５４０９４号公報 特開２０１２−２２６９５９号公報

特許文献１、或いは特許文献２に示された放熱構造が、その本体としてアルミニウムなどの金属バルクの押し出し成形などで冷却フィンなどのヒートシンク構造を備えた本体構造を形成したものであるため、出力光量の大きな投光器に適用した場合には放熱構造自体の重量で投光器全体の重量が過大なものとなる。そのため、例えば競技場の照明装置に用いる場合には、付帯的コストである設置架台の強靭化を必要とし、その設置作業も困難となる。さらに、材料コストが高く、取り付け作業のコストの低減にも限界がある。

また、特許文献３に開示されたような冷却ファンを用いた強制空冷構造は、それ自体の電力消費も大きく、全体構成の部品点数もかなり多くなる。そのため、照明器具自体のコスト低減、投光装置として組み立てるための設置コストの低減は困難である。

上記したように、従来のＬＥＤ照明器具の放熱構造を大型（大光量）の投光器にそのまま適用することは、器具の製造コスト、完成した投光器の設置に要する付帯的なコストを考慮すると、現実的でない。本発明の目的は、重量のある材料や複雑な構成の放熱構造を用いることなく、また放熱ファンなどの強制冷却手段を用いることなく、比較的簡単な構造で、かつ組立作業も容易な軽量のＬＥＤ投光器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係るＬＥＤ投光器は、以下に記述する構成とした。なお、ここでは、本発明の構成を理解し易くするために、実施例の図面における参照符合を付記して記述する。

（基本構成）本発明に係るＬＥＤ投光器は、前面をＬＥＤ素子からなる投光部としたパネル状投光部（１００）と、該パネル状投光部の背面に設けて前記ＬＥＤ素子から伝達される熱を煙突効果で放熱するための投光部放熱部（２００）と、前記投光部放熱部の前記パネル状投光部とは反対面である裏面に設置された導風板と電源ユニットからなる電源放熱部（３００）で構成したことを特徴とする。

（構成例１）前面に多数のＬＥＤ素子（４Ｂ）を配列した１又は複数のＬＥＤ基板（４Ａ）で投光部を構成した本体フレーム（７）からなるパネル状投光部（１００）と、
前記本体フレーム（７）の背面で、前記ＬＥＤ基板（４Ａ）の裏面に設置されて、前記ＬＥＤ基板（４Ａ）から主として熱伝導で伝達される前記ＬＥＤ素子（４Ｂ）の熱を放熱するＬＥＤ基板放熱板（４）と、前記ＬＥＤ基板放熱板（４）の前記ＬＥＤ基板（４Ａ）と反対面に一側壁が固定されて平行に配置された複数の角パイプ（３）とで構成した投光部放熱部（２００）と、
前記投光部放熱部（２００）の前記パネル状投光部（１００）とは反対面である裏面に設置された導風板（２）と電源ユニット（１）からなる電源放熱部（３００）とで構成され、
前記ＬＥＤ素子（４Ｂ）の発熱を、前記ＬＥＤ基板放熱板（４）に熱伝導し、主として前記角パイプ（３）の煙突効果で放熱すると共に、前記電源ユニット（１）の発熱を、主として前記導風板（２）による前記角パイプ（３）への熱伝導及び前記角パイプ（３）と導風板（２）との間隙に生じる煙突効果で放熱することを特徴とする。

（構成例２）（構成例１）における前記パネル状投光部（１００）の前記本体フレーム（７）は長方形であり、前記角パイプ（３）は前記本体フレーム（７）の短辺に平行となるように設置されており、当該ＬＥＤ投光器の使用では、前記本体フレーム（７）の短辺を上下方向にした姿勢で用いることを特徴とする。

（構成例３）（構成例１）における前記パネル状投光部（１００）の前記本体フレーム（７）は長方形であり、前記角パイプ（３）は前記本体フレーム（７）の長辺に平行となるように設置されており、当該ＬＥＤ投光器の使用では、前記本体フレーム（７）の長辺を上下方向にした姿勢で用いることを特徴とする。

（構成例４）（構成例１）乃至（構成例３）の何れかにおける前記複数の角パイプ（３）の間の間隙、および前記複数の角パイプ（３）と前記導風板（２）との間の間隙にも煙突効果を有することを特徴とする。

（構成例５）（構成例１）乃至（構成例４）の何れかにおける前記本体フレーム（７）の最前面に光拡散カバー（５）を有することを特徴とする。

（構成例６）（構成例１）乃至（構成例５）の何れかにおける前記本体フレーム（７）、前記ＬＥＤ基板放熱板（４）、前記角パイプ（３）と前記導風板（２）はアルミニウムを好適とする軽量金属板のプレス成形品又は板金成形品の何れかであることを特徴とする。

本発明は上記の構成例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を逸脱することなく種々の変形が可能であることは言うまでもない。

本発明に係るＬＥＤ投光器を上下に立てた状態（本体フレーム（７）を直立、あるいは若干斜めにした状態）で設置する。この状態で前記パネル状投光部（１００）のＬＥＤ素子（４Ｂ）からの発熱はＬＥＤ基板放熱板（４）から前記角パイプ（３）に熱伝導で伝達される。前記角パイプ（３）の内部の空気は、この熱で加熱されて密度が低下し、浮力が増す。その結果、角パイプ（３）の内部の空気は情報に流動し、上昇して角パイプ（３）の上部開口から空中に放出される。

角パイプ（３）内の空気流の上昇に伴って、当該角パイプ（３）の下部開口から吸入される。所謂煙突効果が生じて角パイプ（３）の内部を連続的に空気流が通過する。この空気流の通過でＬＥＤ基板放熱板（４）から伝達されたＬＥＤ素子からの熱が空気中に拡散され、ＬＥＤ素子が過熱して発光能が低下したり、破壊が起きたりすることが阻止される。

一方、電源ユニット（１）で発生した熱は、熱輻射と熱伝導で導風板（２）を介して角パイプ（３）に伝達される。この熱は角パイプ（３）の内部にある空気を加熱し、前記したＬＥＤ素子からの熱と同様にして放熱される。また、導風板（２）と複数の角パイプ（３）との間にある間隙においても煙突効果が生じ、この部分でも空気流の上昇と冷気の吸入が発生し、電源ユニット（１）で発生した熱は放熱される。

本発明では、ＬＥＤ投光器を構成する本体フレーム（７）と電源ユニット（１）との間に角パイプ（３）を主体とする放熱構造を備えたことで、そのＬＥＤ素子の発熱と、このＬＥＤ素子を駆動する電源ユニットの発熱の両者を効果的に放熱することができる。

従来のヒートシンクと比べて、放熱構造を軽量の金属板のみで構成でき、冷却ファンなどの光発生とは直接関係がないエネルギーを要する設備を必要としないため、取り扱いが容易で低コストのＬＥＤ投光器を提供できる。

本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例１を説明する展開斜視図である。 本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例１を説明する背面、上面、側面の三面図である。 本発明に係るＬＥＤ投工器の実施例１の放熱作用を説明する模式図である。 本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例２を説明する展開斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を、実施例の図面を参照して詳細に説明する。本発明に係るＬＥＤ投光器の基本構成は、前面を投光部としたパネル状投光部（１００）と、パネル状投光部（１００）の背面に設けてパネル状投光部（１００）から伝達される前記投光部からの熱を煙突効果で放熱するための投光部放熱部（２００）と、前記投光部放熱部（２００）の前記パネル状投光部（１００）とは反対面である裏面に設置された導風板と電源ユニットからなる電源放熱部（３００）で構成したことにある。

本発明の実施例１の構成を図１乃至図２を参照して説明する。図１は本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例１を説明する展開斜視図、図２は本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例１を説明する裏面（中央の図）、上面（上側の図）、側面（右側の図）の三面図である。図１と図２において、本体フレーム７からなるパネル状投光部１００の前面（図１の左側）に多数のＬＥＤ素子４Ｂを配列した複数のＬＥＤ基板４Ａが配列され、投光部を構成している。

本実施例では、一枚のＬＥＤ基板４Ａに９０個（１５×６）のＬＥＤ素子４Ｂが搭載されている。このＬＥＤ基板４Ａを５枚並べてアルミニウム材で成形した本体フレーム７に実装している。

このＬＥＤ素子４Ｂを配列した面を覆って光拡散カバー５が設けられている。光拡散カバー５は耐熱かつ硬質の樹脂板であり、表面に微小な凹凸処理や溝等を形成した光拡散面としてある。なお、光拡散カバー５に代えて透明なＬＥＤ素子保護カバーとすることもできる。

前記本体フレーム７の背面には、ＬＥＤ基板４Ａから主として熱伝導で伝達されるＬＥＤ素子４Ｂの熱を放熱するＬＥＤ基板放熱板４がＬＥＤ基板４Ａの裏面にネジ等の固定手段で取り付けられている。このＬＥＤ基板放熱板４の前記ＬＥＤ基板４Ａと反対面に一側壁が固定されて平行に配置された複数の角パイプ３がもうけられている。上記ＬＥＤ基板放熱板４と複数の角パイプ３とで投光部放熱部２００）が構成される。

投光部放熱部２００の前記パネル状投光部１００とは反対面である裏面に導風板２と電源ユニット１からなる電源放熱部３００が設置されている。導風板２は角パイプ３にとの間に空気通路（導風路）を形成するごとく、間隔をもって角パイプ３に取り付けられている。したがって、隣接する角パイプ３と導風板２との間にも煙突効果を奏する構造が形成される。本実施例では、電源ユニット１は金属筐体に収納されており、金属筐体の側壁には空気口が設けられ、背面は金属網のカバーが設けられ、電源ユニット１に収容された電源回路がある程度自然冷却（自然空冷）されるようになっている。なお、この金属筐体の自然空冷を行う手段は上記に限るものではなく、既知の開口形状でよい。なお、特に必要とする箇所の冷却に小型の冷却ファンを設置することを排除するものではない。

ＬＥＤ素子４Ｂの発熱はＬＥＤ基板放熱板４に熱伝導し、主として角パイプ（３）の内部を空気が流通する煙突効果で放熱される。前記電源ユニット１の発熱は主として前記導風板２による角パイプ３への熱伝導及び角パイプ３と導風板２との間隙に生じる煙突効果で放熱される。

本実施例のＬＥＤ投光器を構成するパネル状投光部１００の本体フレーム７は横長の長方形であり、角パイプ３は本体フレーム７の短辺に平行となるように複数（ここでは、１５本）設置されている。このＬＥＤ投光器は、本体フレーム７の短辺を上下方向にした姿勢で用いる。

この角パイプ３の煙突効果による冷却は、上下方向に立てて配置された角パイプ３中の空気が、角パイプ３の温度で昇温されて上端開口から放出されると共に、その下端から新たな空気が吸い込まれ、上記の動作が繰り返される現象を利用したものである。すなわち、角パイプ３の内部の空気が熱源（ＬＥＤ素子）から角パイプ３に伝達される熱で昇温され、空気密度の低下で増加した浮力で上昇し、角パイプの上側開口端から放出される。それに伴って角パイプ３の下側開口端から冷気が吸い込まれ、上記と同様の空気流の流動が連続することで角パイプの温度を脱熱する。その結果としてＬＥＤ素子の発熱が放熱され、過熱に起因するＬＥＤ素子の発光機能の低下や喪失を回避する。

図３は本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例１の放熱作用を説明する模式図である。図３中の参照符号は図１、図２におけるものと同様であり、要部を断面で示してある。上記したように、本体フレーム７の短辺に平行となるようにＬＥＤ基板放熱板４に角パイプ３が取り付けられている。ＬＥＤ素子４Ｂの発熱はＬＥＤ基板４ＡからＬＥＤ基板放熱板４を通して、主として熱伝導で伝達される。この熱の流れを矢印８で示す。

矢印８で示されるＬＥＤ素子４Ｂからの熱は、角パイプ３の内部の空気を昇温する。昇温した空気はその密度が低下して軽くなり、角パイプ３の内部を上方に流動して上側開口端から大気中に放出される。この空気の流動に伴い、角パイプ３の下側開口端から空気が吸い込まれる。吸い込まれた空気は、上記と同様に昇温され、上側開口端から大気中に放出される。この空気の流動は、図３に角パイプを通過する長い矢印で示したように繰り返され、ＬＥＤ素子の発熱が放熱される。

また、角パイプ３の裏面には導風板２と電源ユニット１からなる電源放熱部３００が取り付けられている。図３に矢印９で示したように、電源ユニット１の発熱は主として前記導風板２を介して角パイプ３に熱伝導で伝達される。この熱は、上記ＬＥＤ素子の発熱と同様に角パイプ３の内部での煙突効果と、導風板２と角パイプ間の間隙との間に生じる煙突効果で放熱される。

このように、本実施例によれば、角パイプを備え、その煙突効果を利用してＬＥＤ素子と電源ユニットの発熱を放熱することができる。そのため、重量が大きく製作コストも大きい冷却フィンなどの放熱構造を要せず、また冷却ファンなどのような強制冷却手段を必要としない。

本発明の試作例では、１４５Ｌｍ／ＷのＬＥＤ素子を用いて約１１万5千Ｌｍの投光器を構成できた。フレームや他の主要な構成材をアルミニウム板として、その重量も１５Ｋｇ、と軽量化が実現でき、取扱いが容易な投光器を実現できた。

図４は、本発明に係るＬＥＤ投光器の実施例２を説明する展開斜視図である。図１と同一機能部分には同一参照符号を付してある。実施例２は、本体フレーム７の背面に設置する角パイプ３を当該本体フレーム７の長辺と平行な方向に設けた点が実施例１と異なる構成である。この部分を除いて実施例１と同様である。実施例２のＬＥＤ投光器は、本体フレーム７の長辺を上下方向にして立てた姿勢で使用される。

したがって、角パイプ３は上下方向に延在するようになり、ＬＥＤ素子４Ｂの発熱、電源ユニット１の発熱はこの角パイプの煙突効果で放熱される。この放熱作用は前記実施例１について図３で説明したものと同様である。

本実施例によっても、角パイプの煙突効果を利用してＬＥＤ素子と電源ユニットの発熱を放熱することができる。そのため、重量が大きく製作コストも大きい冷却フィンなどの放熱構造を要せず、また冷却ファンなどのような強制冷却手段を必要としない。

以上説明した各実施例では、多数のＬＥＤ素子を搭載したＬＥＤ基板を複数個実装してパネル状投光部を構成するものとして説明したが、必用なＬＥＤ素子を搭載した一枚のＬＥＤ基板でパネル状投光部を構成することもできる。ＬＥＤ素子の数、ＬＥＤ基板の実装数は任意である。

また、上記各実施例では、矩形断面の角パイプを用いて煙突効果を得ているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一側壁をＬＥＤ基板放熱板に接して固定した三角パイプや半円あるいは部分円断面のパイプ、多角形断面のパイプなどを用いることでも上記各実施例と同様の放熱効果を具備するＬＥＤ投光器を得ることができる。

本発明によれば、重量のあるバルク金属材料や複雑な構成の放熱構造を用いることなく、また放熱ファンなどの強制冷却手段を用いることなしに、比較的簡単な構造、かつ組立作業も容易な軽量のＬＥＤ投光器を提供することができる。

１・・・電源ユニット
２・・・導風板
３・・・角パイプ
４・・・ＬＥＤ基板放熱板
４Ａ・・・ＬＥＤ基板
４Ｂ・・・ＬＥＤ素子
５・・・拡散カバー
６・・・カバーシール
７・・・本体フレーム
１００・・・パネル状投光部
２００・・・投光部放熱部
３００・・・電源放熱部

Claims (5)

1. 前面に多数のＬＥＤ素子を配列した１又は複数のＬＥＤ基板で投光部を構成した本体フレームからなるパネル状投光部と、
   前記本体フレームの背面で、前記ＬＥＤ基板の裏面に設置されて、前記ＬＥＤ基板から主として熱伝導で伝達される前記ＬＥＤ素子の熱を放熱するＬＥＤ基板放熱板と、前記ＬＥＤ基板放熱板の前記ＬＥＤ基板とは反対面に一側壁が固定されて平行に配置された複数の角パイプとで構成した投光部放熱部と、
   前記投光部放熱部の前記パネル状投光部とは反対面である裏面に設置された導風板と電源ユニットからなる電源放熱部とで構成され、
   前記ＬＥＤ素子の発熱を、前記ＬＥＤ基板放熱板に熱伝導し、主として前記角パイプの煙突効果で放熱すると共に、前記電源ユニットの発熱を、主として前記導風板による前記角パイプへの熱伝導及び前記角パイプと導風板との間隙に生じる煙突効果で放熱することを特徴とするＬＥＤ投光器。
2. 請求項１において、
   前記パネル状投光部の前記本体フレームは長方形であり、
   前記角パイプは前記本体フレームの短辺に平行となるように設置されており、
   前記ＬＥＤ投光器の使用では、前記本体フレームの短辺を上下方向にした姿勢で用いることを特徴とするＬＥＤ投光器。
3. 請求項１において、
   前記パネル状投光部の前記本体フレームは長方形であり、
   前記角パイプは前記本体フレームの長辺に平行となるように設置されており、
   前記本体フレームの長辺を上下方向にした姿勢で用いることを特徴とするＬＥＤ投光器。
4. 請求項２又は３において、
   前記複数の角パイプの間の間隙、および前記複数の角パイプと前記導風板との間の間隙にも煙突効果を有することを特徴とするＬＥＤ投光器。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、
   前記本体フレームの最前面に光拡散カバーを有することを特徴とするＬＥＤ投光器。
   

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