JP6689027B2 - 高輝度光源用の変換器ユニットの冷却 - Google Patents

Description

本発明は全般的に、高輝度光源用の、特に高出力プロジェクタ用の変換器ユニットの冷却に関する。

変換器ユニットは光源に関連して使用される。この光源は、１次光源から出射されて変換器ユニットに入射する光の波長を変化させて再び出射することにより得られる。この目的のために、変換器ユニットの表面は、例えば少なくとも部分的に蛍光発光材料で被覆されている。

例えば米国特許出願公開第２００９／０３４２８４号明細書に記載の照明装置では、回転ホイールが蛍光発光材料で被覆され、且つ固体光源から出射される光線によって励起されることにより、光が発生させられる。前掲の米国特許出願公開第２００９／０３４２８４号明細書に記載された発明の目的は、ホイールのセグメント化と、種々様々な蛍光体の使用とに基づいて、時間的に異なって制御される複数のカラーチャンネルを生ぜしめることにある。

この原理の適用は、日本国特許出願公開第２０１２−０３７６８１号明細書に詳細に記載されている。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０８４９６１号明細書にもやはり、セグメント化された蛍光材料ホイールが記載されている。セラミックの蛍光体セグメントが用いられ、この場合、これらのセグメントは金属化されて、ろう接により支持体ホイールに結合されていてよい。これにより達成される、支持体ホイールに対するセグメントの良好な熱結合は、際立っている。

前掲の３つの文献において、支持体ホイールは、扁平な円板として記載されている。このような扁平な円板は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０８４９６１号明細書によれば、セグメントを受容するために、凹部又は隆起部を有していてもよい。

本特許出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１２００５６５４号明細書は、変換器ホイールをより良好に冷却することができるようにするために、変換器ホイールを、例えば付加的な薄板によって、通風機能と組み合わせる可能性を示している。

本特許出願人のドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００３４０５４号明細書では、変換プレートが自己冷却式に形成されていると、特に有利である。このことは例えば、蛍光体支持体の回転軸に取り付けられた羽根車を介して達成することができ、いわゆる「ラジアルファン」を形成している。回転により空気流が発生し、この空気流が熱を周囲に放出する。

一般に、変換器における極端に高い温度は、変換器材料並びに変換器の支持体に対する結合の劣化の加速につながる恐れがある。また、変換器の加熱により、変換効率の低下及び／又は出射された２次光若しくは蛍光光の色変化が生じる恐れもある。

米国特許出願公開第２００９／０３４２８４号明細書 日本国特許出願公開第２０１２−０３７６８１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１１０８４９６１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１２００５６５４号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２０１００３４０５４号明細書

このような背景から、本発明の根底を成す課題は、蛍光材料の特に効果的な冷却を保証し、延いては特に高い輝度を生ぜしめることができると共に、ユニットの長期安定性を改善する変換器ユニットを提供することにある。

この課題は、独立請求項１に記載の特徴により解決される。有利な改良及び実施形態は、従属請求項に記載されている。

発明者の調査では、特に高速回転する支持体ホイールの場合、変換器の効率的な冷却を制限しているのは、支持体に対する変換器の結合形式、例えば接着又はろう接ではなく、むしろ、変換器の支持体自体の放熱である、ということが判った。

本発明では、高輝度光源用の変換器ユニットが提供される。この変換器ユニットは、軸回転可能な支持体ホイールと、該支持体ホイールの一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器とを有しており、該変換器は、入射光を蛍光により別の波長の光に変換して出射するようになっており、前記変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積に対する前記変換器ユニットの全面積の比率は、少なくとも３、好適には少なくとも３．５、特に好適には少なくとも４．５である。

本発明による変換器ユニットの有利な改良では、前記変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面の面積に対する前記変換器ユニットの全面積の比率は、５０未満である。

支持体ホイールに関しては、種々様々な材料が考慮される。但し、使用された材料が、変換器から放散されるべき熱を、変換器ユニットの全面積に対して分散させることができる場合には、支持体ホイールの拡大された全面積の利点が特に有効になる。このために、この材料の熱伝導率は、５０Ｗ／ｍＫを上回ることが望ましい。例えば、アルミニウム等の金属が使用されてよいが、高熱伝導性のプラスチックも使用可能である。

変換器に関しては、種々様々な材料が考慮される。例えば変換器は、蛍光体若しくは蛍光材料を備えるシリコーンを有していてよい。

但し、好適な実施形態では、変換器にオプトセラミックスが用いられる。オプトセラミックスを使用する利点は、変換器の高い温度安定性、並びにマトリックスに包まれた変換器粉体に比べて極めて良好な熱伝導及び熱容量の向上にある。

オプトセラミックスから成る変換器の改良において、改良された変換器は全体が蛍光材料から成っている。それと共に、蛍光材料は、マトリックス材料中の蛍光材料に比べて活性イオンの平均濃度は同じであるにもかかわらず、局所的に低い活性イオン濃度を有するように設計されてよい。局所的に低い活性イオン濃度は、変換プロセスの量子効率及び熱安定性に関して有利である。

本発明のもう１つの改良では、オプトセラミックスの形態の変換器が、閉じられた環として、支持体ホイールに取り付けられている。閉じられた環の場合、例えば結合に用いられる接着剤が露出していて、高い放射輝度の１次光線により損傷される恐れのあるセグメント間のシーム箇所は、一切存在しない。

但し、特に大型の変換器環の場合は、複数のセグメントから環を構成することが有利であってよく、これにより、場合によっては振動により生ぜしめられるか又は熱的に誘起される機械的な応力を低下させることができる。

本発明のもう１つの改良では、オプトセラミックスの形態の変換器は複数のセグメントで支持体ホイールに取り付けられており、好適には接着又はろう接されている。特に金属ろうを用いたろう接は、支持体ホイールの材料に対するオプトセラミックスの熱結合を改善する。金属ろうは、変換器ユニットの効率を改善するために、特に同時に反射体の機能をも満たすことができる。更に、ろう接結合部は一般に、接着結合部よりも高い温度にさらされてよいので、変換器ユニットの許容最高温度、延いては１次光源の最大許容光出力が高まる。他方では、多くの用途に関しては接着結合で十分である。接着結合は、ろう接に比べ、簡単な処理という利点を提供する。反射体としての金属ろうに限定することなしに、支持体ホイールは、変換器によって覆われる領域において光を反射するように形成されていてよいか、若しくは変換器が、変換器ユニットの光を反射する表面を覆っており、これにより、変換効率が改善される。この場合、光を反射する表面とは、好適には変換器の蛍光光に対して、少なくとも７５％の反射度を有する表面を意味する。

本発明の実施形態に応じて、変換器は、変換器ユニットの中心軸又は回転軸を中心とした円形の光路（変換器ユニットの回転時に１次光源の光線が描く軌道）を断続的にカバーしていてよい。これは例えば、リング状の変換器が設けられているが、１つのリングセグメントが欠落している場合に当てはまる。このようなセグメントの欠落は、変換器ユニットの回転時に、特定の時点で蛍光光の代わりに１次光が出射されることが望ましい場合に想定され得る。

支持体ホイールの、変換器によって覆われていない面の少なくとも一部、好適には覆われていない面全体の放射率εが、０．１を上回り、好適には０．７を上回り、特に好適には０．８５を上回っていると、全般に有利であるということが判った。この場合、好適には前記の覆われていない面は平均して、０．１、好適には０．７、特に好適には０．８５を上回る、前記放射率を有している。作動中に従来の変換器ホイールにおいて支配的な温度では、周辺空気に対する放熱だけが冷却に大きく寄与すると思われていたにもかかわらず、放射率も放熱に顕著な影響を及ぼすことが判った。それというのも、特にオプトセラミックス変換器を備えた変換器ユニットは、シュテファン−ボルツマンの法則に基づく熱放射が有効になる、高い温度で作動可能だからである。

変換器ユニットの放熱を改良するために、支持体ホイールの、変換器によって覆われていない面は、黒化されていてよい。放熱に関して、黒化は一般に、極めて高い放射率を生ぜしめる。

本発明による変換器ユニットを、例えば高出力光源と一緒に使用することができるようにするために、本発明の１つの実施形態では、変換器ユニットの放熱量は、１５Ｗを上回っている。より低い出力の光源には相応して、より少ない放熱量でも十分である。特にシリコーンを基礎とした変換器に適した、本発明のもう１つの実施形態では、放熱量は少なくとも４Ｗ、好適には５〜１０Ｗである。

変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積に関して、本発明のもう１つの改良では、変換器ユニットの放熱量が、１５０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回っていると有利である。この場合、Ｆは、変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積を、平方メートルで表すものである。好適には、放熱量は１８０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回り、特に好適には２４０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回っている。

別の好適な実施形態において、変換器ユニットは、軸方向に相互間隔をあけて配置された少なくとも２つのホイール又は円板を有しており、これらのホイール又は円板のうちの１つが、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器を有している。ホイールは、適当なヒートブリッジにより互いに接続されており、これにより、蛍光材料を備えるホイールから、少なくとも１つの別のホイールに対する熱輸送が保証されている。これにより、変換器ユニットの全面積が増大されて、放熱が改良されることになる。

更に、支持体ホイールがファンホイールとして形成されている変換器ユニットの実施形態が好適である。この場合特に、支持体ホイール用の駆動モータが設けられていてよく、この駆動モータは、空気が軸方向に吸い込まれるように、ファンホイールを回転させる。ファン薄板が半径方向に形成されているのではなく、半径方向に対して所定の角度で形成されている場合、ユニットの冷却作用は、ユニットの回転方向に左右されることが判った。但しこの実施形態は、ラジアルファンに限定されるものではない。ファンホイールとして形成された支持体ホイール上の変換器の配置形式及び好適な回転方向は、選択されたファンの幾何学形状に応じて変更可能である。しかしながら、本発明の特徴は、ファンホイールの良好な熱伝導率であり、ファンホイールの純粋な通風作用を上回る変換器の冷却が、支持体ホイールの拡大された表面積に基づいて生ぜしめられる。

また、本発明による変換器ユニットの支持体ホイールは、変換器とは反対の側に、複数の冷却薄板を有していてよく、これらの冷却薄板は、支持体ホイールの回転に基づいて、空気循環による冷却効果を生ぜしめる。

本発明による変換器ユニットの更に別の実施形態では、支持体ホイールの直径は、変換器の外側の周縁曲線の直径よりも、少なくとも１．５倍だけ大きくなっている。

特に支持体ホイールにとって好適には、また場合により変換器ユニットの別の構成部材にとっても好適には、金属が材料として用いられる。金属は、高い熱伝導率に基づき、特に良好に適している。更に、金属に対しては、変換器を取り付けるためのろう接結合が良好に実施され得る。特に好適な材料はアルミニウムである。この金属は、高い熱伝導率を有していることに加え更に、非常に軽量である。これにより、支持体ホイールの回転速度が比較的高い場合に生じる不均衡が低減され得る。

本発明では、変換器ユニットを備える光源も提供される。この場合、変換器ユニットは、軸回転可能な支持体ホイールと、支持体ホイールの一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器とを有しており、この変換器は、入射光を蛍光により、別の波長の光に変換して出射する。この光源は、変換器上のビームスポットを照射するための発光エレメントと、モータとを有しており、これにより、軸方向に支持された変換器ユニットは、発光エレメントが照射している間に回転させられるようになっているので、変換器ユニットが１回転すると、入射する発光エレメントの放射出力は、変換器上の円形の光路において分散されていることになる。この場合、本発明の１つの実施形態では、変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積に対する変換器ユニットの全面積の比率は、少なくとも３、好適には少なくとも３．５、特に好適には少なくとも４．５である。

択一的又は付加的に、円形の光路の外縁によって取り囲まれた面積に対する変換器ユニットの全面積の比率は、少なくとも３．３、好適には少なくとも４、特に好適には少なくとも５であってよい。この比率が大きいほど、その都度照射される箇所にもたらされる熱を、変換器ユニットの全面積にわたってより良好に分散させることができ、このことは、変換器ユニット全体の、より低い平均温度につながる。

特に、光源は、レーザを１次光源として有していてよい。レーザは、極めて小さなビーム径に集束させることができるので、変換器から出射される２次光も、相応に小さな体積で発生させられる。これにより、極めて小さなエテンデューを有する光源が達成され得る。

好適な実施形態において、変換器上のビームスポットが描く光路の外縁の直径は、変換器の外側の周縁曲線の直径の少なくとも０．８倍であり、好適には変換器の外側の周縁曲線の直径の少なくとも０．９倍である。

光源は、プロジェクタ、特に高出力プロジェクタであってよい。

支持体ホイールの直径と、支持体ホイールの熱抵抗との関連を示す線図である。 従来技術による、軸対称の支持体ホイールと、円環形の変換器とを備える変換器ユニットを示した図である。 軸対称の支持体ホイールと、円環形の変換器とを備える変換器ユニットを示した図であって、この場合、支持体ホイールの直径は、変換器の直径よりも著しく大きくなっている。 支持体ホイールに取り付けられた冷却薄板を有する変換器ユニットを示した図である。 最高温度の、円板直径との関連を示す線図である。 変換器の最高温度の、冷却薄板を備える支持体ホイールの熱伝導率との関連を示す線図である。 軸方向に連続して配置された複数の円板を有する支持体ホイールが設けられた変換器ユニットを示す図である。 ファンホイールと、黒化されたミラー基板と、変換器とは反対の側からの空気供給部とを備えた変換器ユニットを示した図である。 変換器ユニットを備える光源を示した図である。

以下に、本発明を実施するための形態を図面につき詳しく説明する。同一の符号は、同一の構成部材を表している。

既に述べたように、発明者の調査によって、支持体ホイールの冷却は、変換器ユニットの効率的な冷却にとって、重要な要素であるということが判った。

その理由は、放熱が、熱伝導に取り入れられる縁部領域を含む、変換器の被照射面全体にわたって平均して行われることにある。例えば、直径４３ｍｍの変換器環が、３ｍｍ幅のビームスポットと、２０ｍｍの中心間距離で照射される場合、前記被照射面は、本来のビームスポットよりも、少なくとも４０倍大きくなる。この比率は、ビームスポット直径と、ビームスポットにより変換器環上に描かれる軌道の周囲長さとの商に基づき、近似的に表すことができる。

前記比率の場合、支持体ホイールに対する変換器の結合は、例えば接着結合の熱伝導率が低いにもかかわらず、回転する支持体ホイールの、周辺空気に対する不良な熱結合に比べると、比較的良好である。

このことは、以下の表１にまとめられた、その時々の熱抵抗の評価によって明確に示される。

この評価を種々様々なホイール幾何学形状に対して実施すると、より大きなホイール直径は、周辺空気に対して著しく小さな熱抵抗を有しているが、この場合も熱抵抗の９５％以上は、ホイールの冷却によって生ぜしめられている、ということが明らかになる。

この関係は、線図の形式で、支持体ホイールの直径と、支持体ホイールの熱抵抗との関連を表す、図１に示されている。選択された全ての直径値について、バーが示されており、このバーは、熱抵抗における接着剤の量、並びに熱抵抗における、回転ホイールから空気への伝達量を示している。

この評価は、支持体ホイールの回転が、良好な平均化のために実際に役立つ、ということに基づいている。つまり、目下照射される位置における、変換器の局所的な加熱は、平均的な加熱と比較して、小さくなければならない。このことは、変換器自体の熱伝導が良好である場合と、熱容量が大きな場合に生ぜしめられる。それというのも、その場合は目下の照射が直ちに激しい温度上昇につながることはないからである。前記２つの要求は、オプトセラミックス変換器の、７２００ｒｐｍの典型的な回転速度において満たされる。ビームスポットにおいて、変換器の激しい局所的な加熱が生じた場合は、ビームスポットにおける温度を低下させて、変換器の平均温度に近づけるために、変換器ユニットの回転速度を上げることができる。

要するに、高い冷却性能を備える変換器ユニットを提供するためには、以下の特徴又は特徴の組み合わせが有利である。
−セラミックの変換器材料の使用。
−変換器ユニットにわたる十分な温度の平均化を達成するために、十分に高い支持体ホイールの回転速度。
−変換器環に比べて大幅に拡大された表面積を有する支持体ホイール。大幅に拡大された表面積にわたって熱を効率的に分散させ且つ放熱することができるようにするために、良好な熱伝導率を有する材料から成る支持体ホイール。
−良好な空気循環を生ぜしめる冷却薄板、又はファンに似た別の有利な幾何学形状を有する支持体ホイール。
−熱放射に関して高い放射率を有する支持体ホイール。
−高い放射率の恩恵を受けるために、高い運転温度を可能にする変換器ユニット。

以下に、高出力プロジェクタにＹＡＧオプトセラミックス(Optoceramics=OC)を用いることに関する数値的研究を説明する。

円環形状のオプトセラミックスが取り付けられた反射板を、支持体ホイールと見なした。少なくともオプトセラミックスの下側において、前記反射板には反射コーティングが施されている。

以下の表２は、観察した円板の材料パラメータ及び幾何学形状パラメータを含んでいる。

円板の両面を、ｈ＝５０Ｗｍ^−２Ｋ^−１の熱伝達係数でもって対流式に冷却することに成功したと仮定すると、円板は平均して、
だけ、周囲に比べて加熱されたことになる。

回転する円板の静的な計算については、入射される出力Ｐに応じたオプトセラミックス内の所定の点の実際の温度上昇
がどの程度になるのか、が見積もられる。

体積（ｐ：出力密度（Ｗ／ｍ^３））に関しては相応して、
が当てはまる。

５０Ｗが２×３×０．１ｍｍ^３の体積に供給されると仮定すると、
及び
である。

τ＝１／ｆ＝１／１２０Ｈｚ≒８．３ｍｓの継続時間、Ｌ＝πＤ＝π４６ｍｍ≒１４５ｍｍの平均軌道長さ、ｂ＝２ｍｍのスポット幅の場合、照射されたオプトセラミックスの全ての箇所において、ｔ_ｐｌｕｓ＝τｂ／Ｌ≒０．１２ｍｓの加熱時間が生じる。

この時間に温度は
だけ上昇する。これは予想した温度レベルに比べて少ないので、３ｍｍ幅の環体積の静的な熱源の仮定は、正しいと云える。

実施形態１：
図２は、変換器の周縁曲線により取り囲まれた面積に対する変換器ユニットの全面積の比率に関して、変換器３が取り付けられた、扁平な円形の支持体ホイール２を備える従来の変換器ユニット１を示すものである。これに対して、図２に示した変換器ユニットの他の全ての特徴は、本発明による変換器ユニットの特徴であってもよい。

支持体ホイール２は、軸対称に支持されていて、中心点５を通って延びる軸線を中心として回転可能である。

図２では、変換器３は円環として形成されており、この円環は、支持体ホイール２の側縁若しくは周に対して、ほとんど間隔をあけられていない。支持体ホイール２に取り付けられた変換器３は、本実施形態では円形の、外側の周縁曲線４により画定される。外側の周縁曲線４によって取り囲まれた面積は、本発明によるものとは異なり、支持体ホイールの周によって取り囲まれる面積と、ほぼ同じ大きさである。典型的な寸法を、表３に示す。これに加えて更に、冷却にやはり効果的な支持体ホイール２の裏面の面積を考慮しても、本発明では、変換器３の周縁曲線４によって取り囲まれた面の面積に対する変換器ユニット１の全面積の比率は、２を僅かに上回るに過ぎない。

図３では、変換器３は円環として形成されており、この円環は、支持体ホイール２の側縁若しくは周に対して大きく間隔をあけられている。支持体ホイール２に取り付けられた変換器３は、本実施例では円形の外側の周縁曲線４によって画定される。支持体ホイール２の縁部に対する間隔に基づいて、外側の周縁曲線４は、支持体ホイール２の周よりも極めて小さな直径を有している。これにより、外側の周縁曲線４によって取り囲まれた面積も、支持体ホイール２の周によって取り囲まれた面積より小さくなる。これに加えて更に、冷却にやはり効果的な支持体ホイール２の裏面の面積を考慮すると、本発明では、変換器３の周縁曲線４によって取り囲まれた面の面積に対する変換器ユニット１の全面積の比率は、少なくとも３、好適には少なくとも３．５、特に好適には少なくとも４．５である。従来慣用の変換器ユニットの場合、支持体の縁部に対する変換器の間隔は、数ミリメートルしかない。ましてや小型の支持体ホイールの場合、変換器３の周縁曲線４によって取り囲まれた面の面積に対する変換器ユニットの全面積の比率は、２．５未満にしかならない。典型的な値が表３に示されている。

表３：種々様々な変換器ユニットに関する、変換器の周縁曲線によって取り囲まれた面の面積に対する変換器ユニットの全面積の比率：

本発明の１つの実施形態では、変換器３は複数のセグメントから構成されていてよく、若しくは複数の変換器３が相並んで配置されたセグメントの形態で用いられてよい。図２及び図３に示した例では、変換器３の円環が、３つのセグメント３１，３２，３３から構成されている。これらのセグメントは、好適にはそれぞれオプトセラミックスから成り且つ支持体ホイール２に接着又はろう接されている。特に、セグメント３１，３２，３３は、異なる変換器材料を有していてもよく、これにより、支持体ホイールが回転すると、異なる変換器材料が順次、発光エレメントにより照らされて、その都度異なる色の２次光を出射する。これは例えば、プロジェクタにおいて、セグメント間の交代のタイミングで切り換えられ且つ２次光により照らされるＤＭＤモジュール(ＤＭＤ＝”Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ”)を用いてカラー画像を形成するために有効である。

図２の実施形態の変換器３は、閉じられた円環として描かれている。しかしながら、例えば開いた円環を変換器３として使用して、光散乱媒体を備える１つのセグメントを補うことも可能である。これにより、異なる色を放出する変換器セグメントに加えて付加的に、別の色として、１次光の色も、プロジェクタとして使用するために用いることができる。開いた円又は開いた円環の形の変換器３の場合、変換器の外径を有する完全な円が、外側の周縁曲線と見なされる。

変換器３の材料としては、全体が蛍光材料から成るオプトセラミックスが想定されている。択一的に、変換器３は、蛍光体を有するシリコーンを有していてもよい。つまりこの場合、変換器３は、蛍光を発する蛍光材料を備えている。それぞれの蛍光材料の役割は、入射する光を別の波長の光に変換して、再び出射することである。好適には、モノリシックで単相のオプトセラミックスが変換器に用いられる。

オプトセラミックスを使用した場合、オプトセラミックスは支持体ホイール２にろう接されてよい。ろう接結合は、支持体ホイールに対する変換器の良好な熱接触を達成する。

しかしながら、支持体ホイール２への変換器３の取り付けは、本発明のもう１つの実施形態では、接着により行われてもよい。

両方の場合において有利なのは、変換器によって覆われる表面が、光を反射するように形成されている場合である。ろう接結合の場合、この特徴は、適当な１次光の入射状態において変換器から放出される蛍光光に対して特に少なくとも７５％の反射度を備えていて、光を反射する適当な金属ろうを選択することにより、簡単に得ることができる。変換器３を接着する場合、接着剤は透明であってよく、変換器３が接着される面は、相応に光を反射するように、好適には前記の少なくとも７５％の反射度を備えて形成されていてよい。

本発明の改良では、支持体ホイール２の、変換器によって覆われていない面２９の少なくとも一部の放射率εが、０．１、特に０．７を上回っており、特に好適には０．８５よりも大きくなっている。放射率が高いほど、支持体ホイール２の、変換器によって覆われていない面は、吸収した熱を熱放射として、より良好に再放出することができる。意外にも、目標とした変換器ユニットのできるだけ低い温度においてさえ尚、覆われていない面２９の放射率を高めることで、冷却性能の顕著な改善が得られる。アルミニウムはまさに、高い熱伝導率と熱容量とに基づき、支持体ホイールにとって好適な材料であるが、放射率は極めて低い。この場合、特に変換器３によって覆われていない面を黒化することにより、放射率を高めることができ、その結果、熱放射が増大されて、冷却が改善されることになる。

変換器ユニット１の冷却に関しては、変換器３の周縁曲線４によって取り囲まれた面の面積に対する変換器ユニット１の全面積の比率が、少なくとも３、好適には少なくとも３．５、特に好適には少なくとも４．５になるように選択する。

但し面積比は、好適には値５０を上回らない。これは有利である。それというのも、材料及び重量が節減される一方で、冷却性能の向上も、面積比の増大と共に低下するからである。

支持体ホイール２の、変換器３によって覆われていない面は、黒化されていてよい。

本発明による手段に基づき、特に変換器の外側の周縁曲線の包囲面積に対する変換器（ユニットの）表面積の大きな面積比に基づき、変換器ユニットは、変換器ユニットの放熱量が１５０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆ、好適には１８０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回り、特に好適には２４０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回るように設計されてよい。この場合、Ｆは、変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積をｍ^２で表したものである。

本発明による変換器ユニット１の本実施形態の改良において、支持体ホイール２の直径は、変換器３の周縁曲線４の直径よりも、少なくとも１．５倍だけ大きくなっている。

この軸対称モデルの計算は、以下の結果をもたらした。ｎ＝７２００ｍｉｎ^−１の回転数に関する典型的な計算が行われた。オプトセラミックス中に均一に配分された熱出力として、Ｐ_{ｔｈｅｒｍ}＝２３Ｗの値を仮定した。円板の両面では、３０℃の空気が自由に流入及び流出可能にした。更に、その他の強制対流は一切生じないものと仮定された。円板の円筒側壁には、空気が断熱式に付着すると仮定された。円板、オプトセラミックス及び接着剤の寸法は、表１のように選択された。室直径は８０ｍｍと仮定した。

これらの計算は、乱流モデルＳＳＴ−ｋωを用いて、低レイノルズ数補正を伴って行われた。空気は非圧縮性の理想気体であると仮定された。ｃ_ｐ、λ及びｈの値は、気体運動論に基づき仮定された。

円板表面には、３０℃の周囲空気の基準温度に対して算出された、ｈ≒２４Ｗｍ^−２Ｋ^−１の平均的な熱伝達係数が生ぜしめられた。熱伝達係数ｈは、円板半径とは概ね無関係である。オプトセラミックス内にもたらされた２３Ｗの熱出力のうち、約４Ｗがオプトセラミックスから周囲空気に行き、約１９Ｗが円板に行く。

これに関連して注目すべきは、乱流モデルは常に、用途に応じて実際を多少なりとも良好に表す近似値に過ぎない、という点である。よって、較正無しの絶対的な表現は、実験では困難である。しかしながら、より良好に冷却する手段を評価するための相対的な表現は、的確であると云える。

実施形態２：
図４に示す本発明による変換器ユニット１でも、やはり変換器３が支持体ホイール２に取り付けられているが、この支持体ホイール２は、変換器３とは反対の側に、複数の冷却薄板１６を有している。これらの冷却薄板１６は、支持体ホイール２の表面に対して垂直に位置しており且つ支持体ホイール２に熱結合している。全体的に、支持体ホイール２の全表面積は、冷却薄板１６に基づいて増大している。これにより、変換器ユニットの放熱量が高められる。支持体ホイール２が付加的に、その中心軸線を中心として回転されると、空気の吹き出しが発生し、これにより、放熱量は更に高められる。冷却薄板は、付加的なプレート６に取り付けられていてもよい。変換器３の幾何学形状及び変換器３に用いられる材料に関しては、基本的に実施形態１に関するものと同様の考察が当てはまる。

本実施形態の計算は、実施形態１による円板に比べ、以下の結果をもたらした。

流れ計算と温度計算との結合に関して、ファンホイールの４５°のセグメントがモデルとして作成された。

幾何学形状パラメータとして、オプトセラミックスに関しては２００μｍの厚さが用いられ、円環の幅に関しては、４ｍｍの値が用いられた。

オプトセラミックス用の支持体ホイールは、０．５ｍｍの厚さと、２５ｍｍのインナホール直径と、４４ｍｍの外径とを有するアルミニウム−ミラー支持体であると仮定された。

以下の値も同様に考慮された：
−オプトセラミックスとミラーとの間の接着剤：厚さｄ＝１０μｍ、λ＝０．３ＷＫ^−１ｍ^−１、
−ミラーとファンホイールとの間の接着剤：ｄ＝４５μｍ、λ＝１．７ＷＫ^−１ｍ^−１、
−ファンホイールの材料はアルミニウムであり、λ＝２０２ＷＫ^−１ｍ^−１
−回転数：７２００ｒｐｍ（ファンホイールに関しては、両回転方向が考慮された。）
−ファンホイールは、円筒ケーシング内に装着された。円筒ケーシングの半径は、ホイールの半径よりも２０ｍｍだけ大きく、円筒ケーシングは両軸方向側に２５ｍｍ延長されている。
−ケーシングの端面にわたって自由な、空気の流入及び流出。
−側壁は、流れの所定の付着条件を有する断熱式と仮定された。
−放射は考慮されなかった。
−計算は静止状態で行われた。オプトセラミックス中には均一な発生源が存在しており、そこに蓄えられる熱出力は、合計２０Ｗであると仮定された。この仮定は、十分に高速で回転する変換器ユニットにおいて既に示されたように、正しいということが証明されている。

ファンホイールについては種々様々なモデル（ｓ１１、ｓ１２、・・・ｓ２５）が考慮され、その材料パラメータ及び幾何学形状パラメータは以下の表から看取することができる。この表では、”ＣＷ”は右回り、つまり時計回りを意味しており、”ＣＣＷ”は左回り、つまり反時計回りを意味している。

前掲の表では、以下の略語が用いられる：
ＤＭ：円板の外径、
Ｔ_ｍａｘ：オプトセラミックス内に生じる最高温度、
Ａ_{ｆｒｅｅ ｓｆ}：空気と接触する全表面積、
Ｐ_ＯＣ：全体として２０Ｗが解放されるように、オプトセラミックスにおいて均一に規定された出力密度、
ｈ_ａｖｅ：全ての露出した表面にわたって平均された、３０℃に対する熱伝達係数：Ｐ＝ｈ_ａｖｅＡ（Ｔ_ａｖｅ−Ｔ_ｅｎｖ）。これにより、２０Ｗとは異なる出力についても、想定すべき温度を見積もることができる。
Ｒ_{ｔｈｅｒｍ}：周囲に対するオプトセラミックスの熱抵抗。

ファンホイールの場合は、回転方向も重要である。ファンホイールはモータによって回転され、これにより空気が軸方向に吸い込まれ、且つ変換器支持体に沿って半径方向に吐き出される。この場合、体積流量は、同時に冷却薄板として働くファン薄板の平均的な設定角度と形状とに関連している。図４に示した実施形態において、体積流量と冷却作用とは、冷却薄板１６の設定角度に基づき、反時計回りに回転した場合に最大である。

図５は、平円板並びにファンホイールのモデルｓ１１及びｓ１２に関して発生する最高温度Ｔ_ｍａｘと円板直径ＤＭとの関連を示すものである。略語ＣＷ及びＣＣＷは、表４の場合と同様に、「右回り」若しくは「左回り」、つまり時計回りと反時計回りを意味する。図５の線図は例えば、直径が約７０ｍｍの円板が、ファンホイールモデルｓ１２と同じ冷却性能を有しているということを示している。これによると、最高温度は、反時計回りに回転した場合に、時計回りに回転した場合よりも著しく低くなっている。図４に示した実施形態の場合と同様に、テストされたファンホイールでは、開口１８を通って軸方向に空気が吸い込まれると共に、冷却・ファン薄板を通って空気が流出する。時計回りに回転した場合は、薄板の設定角度と回転方向とが互いに合っていないので、冷却作用は著しく悪化する。

ファンホイールの駆動軸の放熱作用は、モデルでは考慮されなかった。

冷却にとっては、ファンホイールにより生ぜしめられる空気流と、ファンホイールの拡大された表面にわたる放熱の両方が重要なので、ファンホイールの材料は、十分な熱輸送を可能にすることが望ましい。図６は、ファンホイール材料の熱伝導率が、λ＝５０ＷＫ^−１ｍ^−１を下回ると、変換器の最高温度が急激に上昇することを示している。正確な曲線推移は、ファンホイールの正確な幾何学形状に左右される。

実施形態３：
次に図７を参照して、変換器ユニット１が、共通の軸２１に配置されて軸方向に間隔を置かれた、複数のホイール若しくは円板２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有している実施形態を説明する。これらの円板の１つ（この場合は円板２）だけが変換器３を支持している、つまり支持体ホイールとして用いられている。図７に示した変換器ユニット１は、支持体ホイール２に加えて付加的に、３つの別の円板を有している。但し本発明では、一方が支持体ホイールとして変換器を支持する２つの円板を有するに過ぎない変換器ユニット、並びに４つ以上の付加的な円板を有する変換器ユニットも可能である。

本発明の枠内には、本発明による変換器ユニットを有する光源を提供することも含まれる。更に、光源は、変換器３上のビームスポットを照射する発光エレメントを有している。軸方向に支持された変換器ユニット１が照射中にモータによって回転させられると、入射する発光エレメントの放射出力は、変換器ユニット１が１回転した後には、変換器３上の円形の光路において分散されている。

光源の光路の外縁の直径は、変換器３の周縁曲線の直径の少なくとも０．８倍であり、好適には変換器３の周縁曲線の直径の少なくとも０．９倍である。

好適な改良において、光源はレーザを有しており、このことはより高い光出力を可能にする。

好適には、光源は、プロジェクタ、特に高出力プロジェクタの光源である。

このような光源１０の一例が、図９に斜視図で示されている。光源１０は、好適にはレーザ１４の形態の、発光エレメント１３を有している。発光エレメント１３は１次光線１３０を、変換器ユニット１の変換器３に対して放射する。１次光線１３０の入射点は、ビームスポット１３１を形成する。ビームスポット１３１において、入射１次光は蛍光により、一般にはより長い別の波長の２次光１３２に変換されて出射される。異なる方向に向けられた複数の矢印で示したように、２次光の出射は拡散して行われる。変換器ユニット１は、モータ１２の軸１１によって軸方向に支持されており、発光エレメント１３によって照射される間、モータ１２により回転させられる。これにより、入射する発光エレメントの放射出力は、変換器ユニット１が１回転すると、変換器３上の円形の光路３０において分散していることになる。円形の光路３０の外縁は、直径Ｄ_Ｓを有している。

有利なのは、この直径Ｄ_Ｓを、変換器の外側の周縁曲線４の直径Ｄ_Ｋよりも僅かに小さく選択することである。これにより、ビームスポット１３１の光路が、変換器３の外側の周縁曲線４と交差しないことが保証される。円形の光路に関しても、外側の周縁曲線４の場合と同様に、円形の光路３０の外縁によって取り囲まれた面積に対する変換器ユニット１の全面積の比率は、少なくとも３．３、好適には少なくとも４、特に好適には少なくとも５である、ということが当てはまり、これにより、変換器ユニット１の良好な冷却が得られる。

他方ではまた、光路３０は、変換器３における放射出力の良好な分散を達成するために、できるだけ長いことが望ましい。よって、本発明の改良では付加的に、光路３０の外縁の直径Ｄ_Ｓは、変換器３の外側の周縁曲線４の直径Ｄ_Ｋの少なくとも０．８倍であり、好適には変換器３の外側の周縁曲線４の直径Ｄ_Ｋの少なくとも０．９倍であることが想定されている。

実施形態４：
図８を参照して、やはりファンホイールを基礎とする変換器ユニット１を説明する。本実施形態では、支持体ホイール２は２つの部分、即ち部分的に黒化されたミラー基板若しくはミラー支持体７と、ファン・冷却薄板１６を備えた支持体ホイールの第２の部分とを有している。両部分は、良好に熱接触している。部分的に黒化されたミラー基板７は、例えば変換器の外側において粗面化され且つ黒化された金属のミラー基板であり、これにより、空気に対する熱伝達及び放射率が向上する。冷却空気は、開口１８を介して、変換器とは反対の側に供給される。このことは、導光用の光学系が変換器の手前に配置されているシステム全体において、スペース上の理由から有利なことがある。また、この空気案内において、半径方向に空気を放出すると、変換器にダストが堆積しないように作用する。よって、本発明の有利な改良では、図８に示した特別な実施形態に限定することなく、支持体ホイール２がファンホイールとして形成されており、モータにより支持体ホイールが回転させられると、変換器ユニットの、変換器３に対向する側から空気が軸方向に吸い込まれることが想定されている。上述したように、このことは変換器ユニット１の、変換器３とは反対の側の開口１８を介して行われてよい。

本発明は図示の実施形態に限定されてはおらず、むしろ、以下の請求項の枠内で多様に変更可能である、ということが当業者には明らかである。この場合特に、個々の実施形態の特徴が、互いに組み合わされてもよい。このようにして、図２、図３、図５及び図８に示した各実施形態を備える、図９に示す光源１０が実現され得る。また、説明した各実施形態は、図２に示した本発明の実施形態に相応するセグメント化された変換器を有していてもよい。

１ 変換器ユニット
２ 支持体ホイール
３ 変換器
４ 変換器３の周縁曲線
５ 支持体ホイール２の中心点
６ プレート
７ 部分的に黒化されたミラー基板
１０ 光源
１１ 駆動軸
１２ モータ
１３ 発光エレメント
１４ レーザ
１６ 冷却薄板
１８ 開口
２１ 軸
２２ａ 円板
２２ｂ 円板
２２ｃ 円板
２９ 変換器３によって覆われていない面
３０ 光路
３１，３２，３３ 変換器３のセグメント
１３０ １次光線
１３１ ビームスポット
１３２ ２次光

Claims (16)

1. 光源用の変換器ユニット（１）であって、
   軸回転可能な支持体ホイール（２）と、
   該支持体ホイール（２）の一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器（３）と、を有し、該変換器（３）は、入射光を蛍光により別の波長の光に変換して出射し、
   前記変換器（３）の外側の周縁曲線（４）によって取り囲まれた面積に対する前記変換器ユニット（１）の全面積の比率は、少なくとも３、または少なくとも３．５、または少なくとも４．５であり、
   前記変換器（３）は、セラミックの変換器材料を含み、
   前記支持体ホイール（２）は、前記変換器（３）に近位の第１のディスクと、前記変換器（３）に遠位の第２のディスクと、前記第１及び前記第２のディスクに挟持された冷却薄板（１６）と、を有するファンホイールとして形成されており、該ファンホイールを回転させるモータ（１２）が前記支持体ホイール（２）の外部に設けられており、前記第２のディスクは、開口（１８）を有し、前記モータ（１２）の駆動軸（１１）は、前記第２のディスクの前記開口（１８）を通じて、前記第１のディスクに固定されており、
   前記支持体ホイール（２）の回転時に、前記開口（１８）を通じて、前記変換器（３）に対向する側から軸方向に空気が吸い込まれ、そのため前記モータ（１２）の前記駆動軸（１１）と前記開口（１８）との間に半径方向の間隔が設けられている、
   ことを特徴とする、光源用の変換器ユニット。
2. 前記セラミックの変換器材料は、全てが蛍光材料からなっている、請求項１記載の変換器ユニット。
3. 前記変換器（３）の前記周縁曲線（４）によって取り囲まれた面の面積に対する前記変換器ユニット（１）の全面積の比率は、５０未満である、請求項１記載の変換器ユニット。
4. 前記支持体ホイール（２）の材料は、少なくとも５０Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
5. 前記変換器ユニットの放熱量は、１５０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回り、または１８０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回り、または２４０ＷＫ^−１ｍ^−２＊Ｆを上回り、前記Ｆは、前記変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積を、平方メートルで表すものである、請求項１から４までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
6. 前記支持体ホイール（２）の、前記変換器（３）によって覆われていない面の少なくとも一部は黒化されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
7. 前記支持体ホイール（２）の、前記変換器によって覆われていない面（２９）の少なくとも一部の放射率εは、０．１を上回り、または０．７を上回り、または０．８５を上回る、請求項１から６までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
8. 前記変換器（３）は、複数のセグメントで前記支持体ホイール（２）に取り付けられたオプトセラミックスを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
9. 前記変換器ユニット（１）は、軸方向に相互間隔を置いて配置された少なくとも２つのホイールを有しており、これらのホイールのうちの１つが、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器（３）を有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
10. 前記変換器（３）は、前記変換器ユニット（１）の光反射表面を覆っている、請求項１から９までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
11. 前記支持体ホイール（２）の直径は、前記変換器（３）の前記周縁曲線の直径よりも、少なくとも１．５倍大きい、請求項１から１０までのいずれか１項記載の変換器ユニット。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の変換器ユニット（１）を備える光源であって、前記変換器ユニット（１）は、
    軸回転可能な支持体ホイール（２）と、
    該支持体ホイール（２）の一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器（３）と、を有し、該変換器（３）は、入射光を蛍光により別の波長の光に変換して出射し、
    前記光源は、前記変換器（３）上のビームスポット（１３１）を照射する発光エレメント（１３）を有し、該発光エレメントによる照射中に、前記モータ（１２）によって前記変換器ユニット（１）が回転させられ、前記変換器ユニット（１）が１回転すると、入射する前記発光エレメントの放射出力は、前記変換器（３）上の円形の光路（３０）において分散されることを特徴とする、光源。
13. 前記円形の光路（３０）の外縁によって取り囲まれた面積に対する前記変換器ユニット（１）の全面積の比率は、少なくとも３．３、または少なくとも４、または少なくとも５である、請求項１２記載の光源。
14. 前記光源はレーザ（１４）を有する、請求項１２又は１３記載の光源。
15. 前記光路（３０）の外縁の直径は、前記変換器（３）の前記外側の周縁曲線（４）の直径の少なくとも０．８倍であり、または前記変換器（３）の前記外側の周縁曲線（４）の直径の少なくとも０．９倍である、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の光源。
16. 前記光源は、プロジェクタである、請求項１２から１５までのいずれか１項記載の光源。