JP7497112B2 - 照明装置 - Google Patents
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Description
発光素子を実装した発光ユニットと、
前記発光ユニットの上部に取り付けられた天板を有する冷却機構と
を備え、
前記天板には、複数のスリットを有する通風孔が形成されている。
●照明装置100
図1と図2に示すように、照明装置100は、発光ユニット50と、冷却機構60と、電源箱8と、支柱9と、アーム10とを備えている。
照明装置100は、80℃の環境に対応した高温対応器具である。
照明装置100は、発光ユニット50を2個搭載している2連器具である。
従来器具では、1個の発光ユニット50につき、1個の電源を搭載していたが、本実施の形態の照明装置100は、2個の発光ユニット50のLEDを直列に接続し、1個の電源で点灯する。
1個の発光ユニット50につき、ヒートシンク2を1個配置している。
1個の発光ユニット50につき、カバー5を1個配置している。
2個の発光ユニット50を直列に接続するための発光ユニット50間の配線は結線作業を容易にするために、天板7の上部を通している。
照明装置100は、基板4と接するヒートシンク2を介して周囲空気に放熱する。発光素子3はカバー5で覆われており、集光性をもたせている。
支柱9は、2枚のベース板11と1枚の天板7との間にあり、2枚のベース板11と1枚の天板7とを固定する。
対向する中央の支柱9は、U字型のアーム10の端部を回転可能に取り付けている。
固定部18は、電源箱8を取り付ける場所である。
電源箱8は、天板7の上面の固定部18に固定される。
電源箱8は、点灯回路を収納している。
電源箱8は、点灯回路により、発光素子3の発光を制御する。
図8に示すように、電源箱8は、天板7の片方に寄せられて、天板7のみに固定されている。
電源箱8は、アーム10と直交して配置され、アーム10の片方の腕に近接して配置されている。
電源箱8の底面は、通風孔71と重ならない位置に配置されている。
通風孔71は、鉛直方向に沿って見た平面視で電源箱8の範囲外にある。
なお、点灯回路を器具外に別置する場合は、電源箱8を、発光ユニット50間の配線をカバーする物として使用してもよい。
図6と図7に示すように、発光ユニット50は、発光素子3と、基板4と、カバー5と、反射板6とを有する。
図6と図7に示すように、2個の発光ユニット50の間には、空気を通すため、隙間13があいている。
発光素子3は、照明装置100の光源となる。
発光素子3の具体例は、LED(Light Emitting Diode)である。
発光ユニット50は、LEDモジュールとも称される。
図7において、発光素子3は、半径の異なる8個の同心円の各円周に均等に配置されている。
複数の発光素子3は、半径方向に沿って放射状に配置されてもよい。
複数の発光素子3は、行方向と列方向とに並列に配列されてもよい。
発光素子3は、投入電力を全て光に還元できるわけではなく、一部は熱損失となるため、基板4を介して、ヒートシンク2で冷却する必要がある。
基板4は、円形又は正多角形の1枚の配線基板である。
基板4は、少なくとも中心部に発光素子3を実装しており、複数の発光素子3を全領域に実装している。
基板4は、中心にネジ穴があり、図7に示すとおり、ネジ41でベース板11に固定されている。
基板4は、金属系の熱伝導率の良い部材を用いる。
一般に、基板は、エポキシガラス樹脂系の比較的安価な部材を用いることが多い。しかし、エポキシガラス樹脂系の基板は熱伝導率が低いため、熱抵抗が大きくなってしまう。
本実施の形態は、基板4に対して、アルミニウム又は銅の金属系の高価だが熱伝導率の良い部材を用いる。
このため、発光素子3の基板4による熱拡散が促進され、基板4で発生する温度の上昇を低減できる。よって、照明装置100の全体の熱抵抗を下げることができ、ヒートシンク2をより簡素化でき、照明装置100の小型、軽量化が可能となる。
カバー5は、ガラス製であり、透明又は半透明である。
一般に、カバーは、樹脂系の比較的安価な部材を用いることが多い。しかし、樹脂系のカバーは熱に弱いため、高温により変形又は劣化の可能性が大きくなってしまう。
本実施の形態は、カバー5の材料として、ガラスを用いる。
冷却機構60は、発光素子3を冷却するための機構である。
図4に示すように、冷却機構60は、ヒートシンク2と天板7とを有する。
照明装置100では、発光素子3の熱が、基板4を介して、ヒートシンク2によって周囲空気へ放熱される。
ヒートシンク2は、1枚のベース板11と、ベース板11に配置された複数のフィン12とを有する。
複数のフィン12は、半径方向に放射状に配置されている。
複数のフィン12は、渦巻き状に配置されてもよい。
図5に示すように、ベース板11は、中心部にフィン12が配置されていないフィン非実装領域17を有している。
ヒートシンク2のベース板11及びフィン12は、アルミニウムを材料としており、熱伝導率が比較的高く、軽量な部材を用いている。
ヒートシンク2は、板金をU字に折り曲げたフィン12をベース板11にかしめで接合することで形成されている。板金を折り曲げたフィン12は、ダイカストで形成するよりも軽量かつ低価格にすることができる。
また、ベース板11とフィン12と片方のみ又は両方の部材をアルミニウムよりも熱伝導率の良い銅にすれば、熱拡散とフィン効率との効果が向上するため、放熱性が向上する。
ベース板11は、正方形又は矩形の金属板である。
ベース板11は、下面に基板4を固定し、上面にフィン12を固定する。
フィン12は、放射状又は渦巻き状に配置されている。
フィン12のベース板11への配置を放射状にすることで、ヒートシンク2の外周部から中心部へ周囲空気が均等に流入する。
また、フィン12のベース板11の配置を放射状ではなく渦巻き状にすれば、フィン12をベース板11に実装できる面積が増加するため、放熱面積が増加してヒートシンク2の放熱性がさらに向上する。
天板7は、フィン12の上辺に接触して取り付けられている天板である。
天板7とフィン12との間に空間はない。
天板7は、平面の金属板である。
天板7は、短辺15と長辺16を有する長方形の矩形板である。
天板7は、ベース板11と平行であり、ベース板11の2倍強の面積を有する。
天板7の下面は、ヒートシンク2の鉛直上方でフィン12と接するように配置されている。
天板7の上面には、発光素子3を制御する電源箱8が配置されている。
天板7の上空には、持ち手になるアーム10が配置されている。
一般的に、ヒートシンク2と天板7の間には、ヒートシンク2での空気の流れを阻害せず、発光素子3によって昇温された空気が鉛直上方に抜けやすくするために、空間を設けていることが多い。
しかし、本実施の形態では、ヒートシンク2と天板7の間の空間を無くしてしまい、ヒートシンク2と天板7を接触させる。
このように、天板7も放熱経路とすることで、放熱面積が増え、放熱性が向上する。
さらには、ヒートシンク2と天板7を接触させたことで、無駄な空間を削除できる。
このため、支柱9とアーム10を短くすることができ、器具全体の小型、軽量化が可能となる。
図5は、実施の形態1に係る天板7を示す平面図である。
天板7は、通風孔71を有する。
通風孔71は、複数の平行なスリット74を有する。
スリット74は、短辺と長辺とを有する長尺の貫通孔である。
複数の平行なスリット74は、ヒートシンク2の中心Mを横切って配置されている。
スリット74は、すべて、天板7の長辺16と平行である。
スリット74は、天板7の一部を打ち抜き加工することにより形成することができる。
複数の平行なスリット74は、2個のヒートシンク2に対応して、2か所に設けられている。
2連器具の場合、空気の流れを作るため、及び、天板7の強度を保つため、天板7の中央にはスリット74が無い部分を設ける。
左のスリット74と右のスリット74の間には、長さJだけスリットがない部分がある。
左のスリット74の長さ方向の中心は、左のヒートシンク2の中心Mよりも右側にある。
右のスリット74の長さ方向の中心は、右のヒートシンク2の中心Mよりも左側にある。
このため、左のスリット74と右のスリット74とを天板7の長辺16の中央に寄せて、上方への通気を促進させる。
また、長さJのスリットがない部分と隙間13を対向させることでヒートシンク2に空気が流れるのを促進させることができる。
電源箱8及び電線接続部は、スリット74のない固定部18に片寄せされている。
電源箱8は、電源箱8の長辺が、天板7の長辺16と平行になるように固定されている。
このため、発光素子3によって昇温された空気がヒートシンク2のフィン12の間を鉛直上方に抜けやすくなり、空気の流れが改善され、放熱性が向上する。
図9の(a)と(b)は、反射板6とカバー板65の斜視図である。
反射板6は、環状の傾斜部67と環状の平部68と環状の凸部62とを有する。
反射板6は、環状の外周C1と、中周C2と、内周C3とを有する。
外周C1と中周C2とは、同一平面にあり、平部68の外周と内周となっている。
中周C2と内周C3とは、同一平面になく、傾斜部67の外周と内周となっている。
凸部62は、中周C2において、下方に突出した環状壁である。
長さD1>長さD2であるため、平部68は、各辺の中央部分において、幅P(2*P=D1-D2)となる。
半径R1<半径R2であるため、平部68は、コーナー69において、幅Pより大きくなり、最大幅Qとなる。
すなわち、平部68は、中央の直線部分からコーナー69に向かうにつれ途中から幅が次第に広くなっている。
また、傾斜部67は、中央部分からコーナー69に向かうにつれ次第に幅が広くなっている(E<F)。
図9の(c)と(d)は、反射部品61の斜視図とコーナー69の側面図である。
反射部品61は、反射板6を内角が90度となるように4等分したものである。
反射板6は、4個の反射部品61が組み合わされている。
反射板6は、中央に、複数の反射部品61を組み合わせて形成された円形の開口14を有する。
開口14の直径は、基板4の直径よりも小さい。
4個の反射部品61は、すべて同一形状をしている。
反射部品61は、外線L1と、中線L2と、内線L3とを有する。
4本の外線L1により外周C1が形成される。
4本の中線L2により中周C2が形成される。
4本の内線L3により内周C3が形成される。
反射部品61の両端部の幅が広くなっている部分には、ネジ穴が形成されている。
反射部品61の中央部分において傾斜部67の長さが最も小さくなる。
反射部品61のコーナー69において傾斜部67の長さが最も大きくなる。
反射部品61の傾斜部67の中央部分の基板4との交差角度は、コーナー69の基板4との交差角度よりも大きい。
反射部品61の中央部分において傾斜部67の基板4との交差角度は、もっとも大きくなり、90度あるいは90度弱である。
反射部品61のコーナー69において傾斜部67の基板4との交差角度は、もっとも小さくなり、30度あるいは35度である。
コーナー69において、傾斜部67の傾斜は凸部62まで連続しており、凸部62は半径方向の断面形状が直角三角形をしている。
また、傾斜部67の下面の内周側は基板4の表面に接触するように鋭角になっている。
すなわち、隣り合う反射部品61の傾斜部67の端面は密着しており、端面の間に隙間がない。したがって、傾斜部67は、環状の連続した反射面になる。
また、隣り合う反射部品61の平部68の端面は密着しておらず、端面の間に隙間があり、外側に向かって次第に隙間が大きくなっている。このため、平部68の長尺方向への熱膨張を吸収することができる。
また、4つの反射部品61を組み合わせているので反射部品61を成形する金型を小型化することができ、金型のコスト、成形コストを抑制することができる。
カバー板65は、パッキン51をカバーする長尺の矩形の金属板である。
カバー板65は、パッキン51とカバー5を枠52に固定する部材である。
カバー板65の両端には、ネジ穴が形成されている。
図9ではカバー板65を1枚だけ図示しているが、カバー板65は、反射部品61に対応して4枚ある。
カバー板65の形状は、平部68のように、中央の直線部分からコーナー69に向かうにつれ途中から幅が次第に広くなっている形状でもよい。
凸部62の平部68からの高さは、カバー板65の厚さと同じである。
凸部62は、カバー板65の取付時の半径内側方向の位置決め壁であるとともに、カバー板65の半径内側方向の側面を隠すための目隠し壁である。
図10は、枠52と反射板6とパッキン51とカバー5を示す図である。
図11は、図6のAA断面を示す図である。
枠52の半径方向の断面形状の外側形状は、階段形状をしている。
枠52の半径方向の断面形状の内側形状は、階段形状をしている。
枠52は、外周W0で内周W1の固定部58を有する。
固定部58は、ベース板11に接触して固定される部分である。
固定部58とベース板11との間には、パッキンがあってもよい。
肉厚部57は、枠52の半径方向の断面形状の内側において、固定部58より下方に一段下がった環状部分である。
肉厚部57の半径方向の幅は、全周において、反射板6の平部68の半径方向の幅より小さい。
反射板6の平部68の半径方向の幅は、全周において、肉厚部57の半径方向の幅とパッキン51の半径方向の幅を合わせた幅と同じである。
肉厚部57の4か所のコーナーには、反射板6とカバー板65と固定するネジ66を挿入する有底のネジ受け穴59がある。
長さD1>長さD3であるため、肉厚部57は、各辺の中央部分の幅は、(D1-D3)÷2となる。
半径R1<半径R3であるため、肉厚部57は、コーナーにおいて、中央部分の幅(D1-D3)÷2より大きくなり、最大幅S(S<Q)となる。
外周W2で内周W3の押さえ部56は、カバー5とパッキン51を下から押さえる部分である。
押さえ部56は、肉厚部57より下方に一段下がった環状部分である。
押さえ部56は、薄いリング形状をしている。
押さえ部56の半径方向の断面形状は、矩形である。
押さえ部56の平面視の形状は、パッキン51の平面視の形状と同じである。
長さD3>長さD2であるため、押さえ部56の各辺の中央部分の幅Tは、(D3-D2)÷2となる。
またT=R3-R2であり、R3とR2とは中心が同じ半径であるため、押さえ部56は、コーナーの半径方向の幅も、幅Tとなる。
パッキン51の内周には、カバー5の周囲をはめ込む凹部がある。
パッキン51は、外周V2で内周V3のリングである。
外周V2と内周V3とは、1辺が長さD3と長さD2の正方形のコーナーがそれぞれ半径R3と半径R2の円弧になった形状である。
長さD3>長さD2であるため、パッキン51は、各辺の中央部分の幅Tは(D3-D2)÷2となる。
半径R3>半径R2であり、R3とR2とは中心が同じ半径であるため、パッキン51は、コーナーにおいても、幅Tとなる。
W0<C1=W1<W2=V2<W3=V3=C2<C3
枠52は、中央の開口がある金属の環状部材である。
押さえ部56は、断面形状が上下に薄い矩形の環状部である。
肉厚部57は、断面形状が押さえ部56よりも上下に厚い矩形の環状部である。
パッキン51は、枠52の押さえ部56の上でかつ肉厚部57の内側に配置される。
反射板の平部68とカバー板65は、枠52の肉厚部57にネジ66で固定される。
ネジ66は、肉厚部57に有底のネジ受け穴59にねじ込まれる。
カバー板65は、平部68と肉厚部57とに挟まれてネジ66により固定される。
カバー板65は、パッキン51をカバーし、パッキン51を押さえ部56に向けて下方に押し付ける。
固定部材53は、断面がコ字形状をしている。
固定部材53は、下端で、枠52の外縁にある固定部58をネジ54により固定する。
固定部材53は、上端で、ベース板11の外縁をネジ54により固定する。
実施の形態1の照明装置100は、耐熱性を考慮し、光源の周辺部材はガラス、アルミニウム又はアルミニウム合金等の無機材料を使用している。
アルミニウムは、光を透過させないため、発光素子3から出射した光がアルミニウム(光源の周辺部材)に当たった場合、吸収される光はロスとなってしまう。
高温対応器具においては、耐熱性を考慮し、反射板6自体もアルミニウム又はアルミニウム合金等の無機材料を使用することが望ましい。
具体的には、実施の形態1では、アルミニウム又はアルミニウム合金で反射部品61を鋳造し、傾斜部67の表面のみ又は反射部品61の表面全体に反射材を塗布して、反射板6を組み立てることができる。
無機材料に比較して耐熱温度は低下するが、軽量化のために耐熱性の樹脂を用いてもよい。
反射板6については、ロ字形状で一体成型してもよいが、一体で作成すると、中央空間部を製作しなくてはならないため、材料のロスや金型が大きくなってしまう。
そのため、反射板6を反射部品61に分割して構成し、反射部品61を組み合わせることにより反射板6を効率よく生産することが可能となる。
基板4の中心はネジ41でベース板11に固定されているが、基板4の周囲はネジ41でベース板11に固定されていない。
反射板6の光源側の開口部(内周C3)の全周で基板4を押さえるため、基板4とベース板11との密着性が向上し、放熱性が向上する。
80℃環境対応の高温対応器具にて、通風孔71がない通常の天板で温度試験を実施したものに対し、天板を外した状態(ヒートシンク2の上になにも無い状態)で3℃温度が低減した。
それに対し、通風孔71としてスリット74を追加することで、2.6℃の温度低減効果があった。
スリット74の幅については、短辺が5mm幅のスリットと10mm幅のスリットで実験したが、この2つでは低減温度は同一であった。スリット幅についてはある程度開ければ、スリット74の幅による温度差が見られなくなることが想定される。
スリットの方向についても、いずれの方向でも、スリット74の方向による温度差が見られなくなることが想定される。
また、2個のヒートシンク2に対応し、ヒートシンク2の中心に合わせた直径100mmの円形通風孔を合計2個開けた場合は、1.5℃の温度低減効果であった。
また、天板7の中央のみに1個の通風孔をあけるより、2個のヒートシンク2の放熱経路に合わせ、2個の通風孔をあけることが有効であることがわかった。
(1)天板7にスリット74を設けて放熱性能を向上させる。
(2)基板4の表面上に反射板6を設けて、光学系効率を向上させる。
(3)照明装置100を2連器具として、発光ユニット50を2個搭載し、電源を1台搭載し、2個の発光ユニット50を直列に接続する。
実施の形態1の照明装置100は、発光ユニット50と冷却機構60とを有する。
発光ユニット50は、発光素子3を実装している。
冷却機構60は、発光ユニット50の上部に取り付けられた天板7を有する。
天板7には、通風孔71が形成されている。
通風孔71は、複数の平行なスリット74を有する。
天板7は、固定部18を通風孔71がない位置に配置している。
照明装置100は、発光ユニット50を、隙間13をあけて、隣り合わせて配置し、天板7通風孔71を、隣り合う発光ユニット50の中央に寄せて形成している。
実施の形態1の照明装置100は、枠52と基板4との間に配置された反射板6とを有する。
カバー板65と平部68とは、肉厚部57に固定されている。
本実施の形態の照明装置100は、電源が1個なのでコストダウンが図れる。
本実施の形態の照明装置100は、2個の発光ユニット50を直列に接続するので、配線の本数が減る。
本実施の形態の照明装置100は、天板7が通風孔71を有しているので、効率よく放熱することができる。
本実施の形態の照明装置100は、基板4の表面に反射板6を設置することで、光学効率を向上させることができる。
以下、実施の形態1の変形例について、説明する。
図12のように、スリット74の埃よけとして、スリット74の上部に庇73を設けてもよい。
図12の庇73は、天板7の一部を打ち抜き加工により切り取る部分を、スリット74に対して屋根になるように残したものである。
図13の(a)のように、通風孔71は、直交する複数のスリット74を組み合わせたものでもよい。
スリット75は、扇形又は三角形をしている。
スリット75の数は、フィン12の数と一致していることが望ましい。
スリット75は、フィン12の間にある空間の上空にあることが望ましい。
前述したとおり、ベース板11の中心部にフィン12を実装しないフィン非実装領域17を設けている。このため、基板4の中心部に実装されている発光素子3は高温になる。これによって、基板4の中心に実装された発光素子3は他の箇所の発光素子3よりも高温になる。基板4の中心部に実装されている発光素子3によって昇温された空気は他の箇所よりも空気の密度差が大きくなるため、上昇気流が発生しやすくなる。ヒートシンク2の中心まで周囲空気が引き込まれ、さらには空気の密度差が大きいことにより空気流速も速くなる。
図9のように、反射板6を、斜め45度と135度で4分割するのではなく、図9において、反射部品61を水平と垂直方向に4分割して、4個のL型の反射部品61としてもよい。
あるいは、図9において、反射部品61を斜め45度のみで2分割して、2個のL型の反射部品61としてもよい。
あるいは、内角が90度となるように4等分するのではなく、内角が180度なるように2等分して、U字型の反射部品61としてもよい。
もよい。
あるいは、分割された反射部品61の形状は、すべて同一でなくてもよく、L字型、鉤型、直線型、U字型等の異なる形状でもよい。
電源箱8は、支柱9のみ、又は、アーム10のみに固定されていてもよい。
天板7に、固定部18が不要になるので、天板7の全体に通風孔71を形成することができる。
通風孔71の領域は、フィン12の上端全体の領域をカバーすることが望ましい。
本実施の形態では、前述した実施の形態と異なる点について説明する。
図14は、実施の形態2に係る照明装置100の斜視図である。
図15は、実施の形態2に係る照明装置100の五面図とカバーを除いた底面図である。
図14と図15に示す照明装置100は、天板7とベース板11が正方形である。
図14と図15に示す照明装置100は、ヒートシンク2の四面から通気される。
したがって、スリット74を片寄らせる必要がない。
図15の(d)に示すとおり、天板7の通風孔71のスリット74の長さ方向の中心は、ヒートシンク2の中心Mと同じである。
Claims (1)
- 発光素子を実装した発光ユニットと、
前記発光ユニットの上部に取り付けられた天板を有する冷却機構と
を備え、
前記天板には、複数のスリットを有する通風孔が形成されており、
前記発光ユニットは、隙間をあけて、隣り合わせて長さ方向に2個配置され、
前記天板の通風孔は、前記発光ユニットに対応して前記長さ方向に2か所設けられており、
平面視で、一方の通風孔の前記複数のスリットの前記長さ方向の中心は、前記長さ方向において前記一方の通風孔に対応する一方の発光ユニットの中央よりも前記天板の中央に近く配置されており、
平面視で、他方の通風孔の前記複数のスリットの前記長さ方向の中心は、前記長さ方向において前記他方の通風孔に対応する他方の発光ユニットの中央よりも前記天板の中央に近く配置されており、
前記天板の通風孔を、隣り合う前記発光ユニットの中央に寄せて形成した照明装置。
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