JP2011507152A - ヒートシンク、およびヒートシンクを含む点灯装置 - Google Patents

Abstract

ヒートシンク（１）は照明領域を含み、照明領域は、光源（１５、１６）が取付けられるよう適合された光源領域（１３）と、光源（１５、１６）から出射された光を反射するよう適合された反射領域（６）とを含む。

Description

この発明は、ヒートシンク、特に強制空気流発生器を用いた動作用に適合されたヒートシンクに関し、およびそのようなヒートシンクを含む点灯装置に関する。

一般に、狭い面積に組立てられた、すなわち高いパワー密度を有する、たとえば発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む高パワー光源の冷却が望まれているが、達成は困難である。利用可能な面積が狭いと、点灯装置の他の機能部品、たとえばハウジング、光学部品、ドライバ基板などの間の利用可能な空間の効率的な利用が、さらに必要になる。また、騒音および暖気流に関し、ユーザに優しい熱管理が必要になる。

これらの相反する目標を達成するために、ＬＥＤランプのような公知の点灯装置はより低いパワーで動作し、比較的広い面積にＬＥＤを配置することによって輝度、ひいてはパワー放散を分割する場合があり、大半は受動的なヒートシンクを使用する。受動的なヒートシンクは典型的には、光源の周囲または下方に横方向に配置され、底部から頂点に達する空気流経路を作り出す比較的広い間隔の冷却フィンを提供して、自然対流を可能にする。暖気出口は典型的には、暖気末端が重力の方向とは反対になる状態で、フィンの周囲にある。しかしながら、点灯装置の中には、しばしばサブマウント基板を介して、高温の光源と熱接触しているヒートシンク上へ空気流を強制的に送り込む能動的冷却を採用しているものもある。ヒートシンクは通常、支持構造、たとえばハウジングによって固定された、別個に製造された要素である。能動的冷却用に採用された公知のヒートシンクは、ファンに面する熱源の下方に装着されている。特に小型の設計では、さまざまな部品の組立および調節は、複雑かつ高価になる。

この発明の目的は、小型で信頼性があり、ユーザに優しく、組立が容易である高パワー点灯システムを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のヒートシンク、および請求項３８に記載の点灯装置によって達成される。

ヒートシンクは照明領域を含み、照明領域は、光源が取付けられるよう適合された光源領域と、光源から出射された光を反射するよう適合された反射領域とを含む。

光源機能とヒートシンクとを組合せることにより、製造および組立の複雑性、ひいてはコストが大きく減少する。

有利には、光源は、効果的な照明および容易な組立のために、ＬＥＤサブマウント／ＬＥＤモジュールを含む。サブマウント（またはモジュール）は、１つ以上の単一ＬＥＤまたはＬＥＤチップ、たとえば異なる色のＬＥＤのクラスタ（たとえば赤色、青色、および緑色ＬＥＤ、または白色ＬＥＤを使用）を含む基板を使用している。

有利には、照明領域は、少なくとも１つの光学素子を固定するための光学部品固定手段をさらに含む。これは組立をより一層容易にする。

有利には、光学素子は、フレネルレンズおよび／またはマイクロレンズアレイおよび／または光透過性カバーを含む。

容易な製造のために、反射領域は有利には、ヒートシンクの研磨または塗装された表面を含む。

しかしながら、反射領域はまた、反射層を含んでいてもよい。
特に有利であるのは、キャビティ壁が光源からの光をキャビティの外部に反射するための反射区域を含む、ヒートシンクである。有利には、少なくともキャビティの側壁が反射区域または領域を含み、反射区域は最も有利には、キャビティ側壁のほとんどまたはすべてを覆っている。有利には、キャビティ底壁は光源領域を含む。

特に効果的な冷却および良好な照明特性のために、キャビティの以下の寸法が有利であることがわかっている：
キャビティの高さｈが３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にあり、特に約６０ｍｍである；
キャビティの底部の幅Ｌ１が２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲にあり、特に約４０ｍｍである；
キャビティの上部の幅Ｌ２が８０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲にあり、特に約１００ｍｍである；
幅Ｌ２と幅Ｌ１との比率Ｒｔが、１．２５≦Ｒｔ≦５の範囲にある；
キャビティ側壁の厚さＤｗが、０．５ｍｍ≦Ｄｗ≦１０ｍｍの範囲にある。

有利には、ヒートシンクは、１５０〜２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲の熱伝導性を有する材料を含む。

有利には、この材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ、またはそれらの合金を含む。
ヒートシンクに特有の、光源（ＬＥＤチップ）からの良好な熱分布のために、有利には、少なくとも１つのサブマウントの基板は、２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導性を有する材料を含む。

有利には、少なくとも１つのサブマウントの基板は、材料としてＣｕまたはＣｕ合金を含む。

有利には、ヒートシンクは、ヒートシンクを点灯装置に装着するための少なくとも１つの取付支柱を含む。これはさらに組立および製造コストを削減し、調節をより容易にする。

有利には、切抜き部を可能にするために、少なくとも３つの取付支柱が非対称的に配置されている。

有利には、取付支柱は、照明方向とは反対の方向（下向き）に延在している。
有利には、取付支柱のうちの少なくとも１つは、締結要素によって挿入されるよう適合された掘削孔を含む。

有利には、容易な締結のために、掘削孔は、ねじが切られた区域を少なくとも部分的に含む。

有利には、取付支柱のうちの少なくとも１つは、安定した取付け、ならびに低い公差、機械的吸収、および電気絶縁のための同軸プラスチック部品または要素が装着されるよう適合された装着領域を含む。

有利には、少なくとも１つの取付支柱は、その自由端に、掘削孔の開口部、および装着領域を含む。

有利には、少なくとも１つの取付支柱は、少なくとも１つのプリント回路基板を固定するよう適合されている。これも、組立および製造コストを削減し、調節をより容易にする。

有利には、ヒートシンクは、底部領域および側方領域を含むヒートシンクの外部の少なくとも一部を覆う熱拡散放散構造をさらに含む。有利には、照明領域における空気流を回避するために、熱拡散放散構造は上部が覆われている。

有利には、熱拡散放散構造は、底部領域から側方領域に通じる少なくとも１つの空気流経路を含み、空気流経路は側方出口を含む。空気流を側方領域に向けることにより、小型でユーザに優しい点灯装置が達成可能である。なぜなら、第１に、発光方向における暖気流が回避され、第２に、発光区域のサイズがより大きくなる場合があり、第３に、限定された最大直径について、グリッド区域全体が正面よりも側方でより大きくなり得るという事実から、能動的冷却を使用するにもかかわらず騒音を和らげることが達成可能であり、これから各グリッド開口部を通る空気流の低下が生じ、それは騒音の低下をもたらすためである。これらの利点は特に顕著であり、能動的冷却発生器（強制空気流発生器）を使用して放散構造を通る空気流を作り出すことによって達成可能である。しかしながら、ヒートシンクはまた、自然対流用に使用されてもよい。

有利には、熱拡散放散構造は、容易な組立および強力な空気流を確実にするために、垂直に整列された複数のフィンを含む。

有利には、各空気流経路は２つの隣接するフィンを少なくとも部分的に含み、キャビティ壁の一部は２つの隣接するフィンに縁取られている。これにより、側方開放側は必要に応じて覆われても覆われなくてもよくなる。

有利には、均一な熱分布を確実にするために、フィンは回転対称関係に配置されている。

特に強制空気流を用いた効果的な冷却のために、フィンの以下の寸法が有利であることがわかっている：
２つの隣接するフィン間の円周方向距離（空気流経路の幅）が、０．４ｍｍ≦Ｃ１≦８ｍｍの範囲にある；
厚さが、０．１ｍｍ≦Ｆ１≦３ｍｍの範囲にある；
横方向長さが、５ｍｍ≦Ｆ２≦４０ｍｍの範囲にある；
全体的高さＨｃが、Ｈｂ≦Ｈｃ≦ｈ＋Ｈｂの範囲にある。

ヒートシンクの熱拡散放散構造の以下の寸法が有利であることがわかっている：
側方出口の高さＨｅが、０．１・Ｈｃ≦Ｈｅ≦０．６・Ｈｃの範囲にある。

フィンの形状は任意の特定の設計に限定されてはいないものの、フィンが矩形の、湾曲した、および／または先の尖った断面、たとえば三角形の断面を少なくとも部分的に示していれば、有利であると考えられる。

有利には、キャビティ壁の底部のフィンは、まっすぐなパターンで放射状に延在している。

有利には、キャビティ壁の底部のベースフィンはまた、噴出パターンで放射状に延在していてもよい。

有利には、少なくとも１つの空気流経路は、側方空気出口開口部の近傍に、拡大された空気流断面を有する。

有利には、ヒートシンクは、光源領域から外部に延在し、かつキャビティ壁から突出した、中実のヒートシンクベースを含み、熱拡散放散構造はヒートシンクベースと熱接触している。そのような設計により、特に効果的な熱の伝導および放散が達成される。中実のヒートシンクベースは、熱源からの熱を迅速に誘導するのに十分な体積を含んでいる。突出した中実のヒートシンクおよび熱拡散放散構造がヒートシンクベースと熱接触していることにより、広い面積にわたった、熱拡散放散構造への強力な熱伝導が達成される。

フィンへの良好な熱分布、および円滑な空気流誘導のために、ヒートシンクベースは有利には、ベースが光源領域に位置付けられた状態で、テーパ付き形状を有している。

有利には、ヒートシンクベースのテーパ付き形状は、錐の形状である。有利には、ヒートシンクベースの錐形状は、裁頭錐の形状である。一般に、錐の底面は任意の形状を有していてもよく、頂点はどこに位置していてもよい。しかしながら、底面は境界があり、非ゼロ面積を有すること、および頂点は底面の平面の外部に位置することが、しばしば仮定される。円錐および楕円錐は、円形および楕円形の底面をそれぞれ有する。錐の軸がその底面に対して直角である場合、それは直錐であると言え、その他の場合、それは斜錐である。角錐は、多角形の底面を有する特別なタイプの錐である。

特に効果的な熱分布および円滑な空気誘導のために、ヒートシンクベースの以下の寸法が有利であることがわかっている：
ヒートシンクベースのベース幅Ｌｔが、Ｌ１≦Ｌｔ≦１．５・Ｌ１の範囲にある；
ヒートシンクベースの頂点幅Ｌｃが、０≦Ｌｃ＜Ｌ１の範囲にある；
ヒートシンクベースの高さＨｂが、０．０５・Ｌ１≦Ｈｂ＜０．５・Ｌ１の範囲にある。

空気漏れを回避するために、ひいてはより強力な空気流が空気流経路を通るようにするために、拡散放散構造は空気邪魔板によって少なくとも部分的に覆われている。

この目的はまた、そのようなヒートシンクを含む点灯装置によって達成される。この点灯装置は、高パワーで、効果的に冷却され、小型で静音であるよう設計可能である。

特に有利なのは、ヒートシンク、たとえばファンまたは振動膜に強制空気流を供給するよう適合された強制空気流発生器を含む、点灯装置である。強制空気流発生器は、強い冷却空気流を確実にする。

有利には、強制空気流発生器は、ヒートシンクの底部に空気流を供給するよう適合されている。

有利には、空気流発生器はヒートシンクの下方に位置付けられている。
有利には、空気流発生器は、冷却性能を低下させ、騒音を大きくする乱流および空気の乱れを回避するために、空気誘導構造によってヒートシンクから間隔を置かれている。

有利には、空気誘導構造は開放空間を含む。
有利には、開放空間はまっすぐな管という基本形状を有していてもよく、または砂時計の形状をしていてもよい。

高度の小型性のために、少なくとも１つのプリント回路基板を支持するよう適合された支持体をさらに含む。

小型性のために有利には、支持体は円形形状であり、空気誘導構造および強制空気流発生器のうちの１つの周囲に位置付けられている。

容易な組立および整列のために、支持体は、取付支柱のうちの１つを受けるための少なくとも１つの貫通孔を含む。

小型性のために有利には、少なくとも１つのＰＣＢは、支持体に垂直に装着されている。

小型性のために有利には、複数のＰＣＢは、点灯装置の長手方向軸の周囲に対称的に配置されている。

有利には、強制空気流発生器の掘削孔、および取付支柱のうちの１つの掘削孔は、共通の締結要素を受けるよう整列されている。

上述のヒートシンクおよび点灯装置は、高レベルの統合（たとえば、ファン、電子部品、光学構造といった機能的部品と取付部品との統合）、良好な機械的安定性、効率的な熱放散システム、小型性、組立の柔軟性およびヒートシンクとの相互接続（たとえば、取付けられたヒートシンクの容易な組立および分解）、多機能の固定構造、および目に見えない固定構造により、著しい利点を得る。

この発明は、添付の概略図と関連して理解される以下の例示的な実施例の説明においてさらに詳述される。この発明はこれらの実施例に限定されないことが理解されるべきである。

ヒートシンクの斜視図である。 図１のヒートシンクを反対方向から見た図である。 図１のヒートシンクの側面図である。 図１のヒートシンクの上面図である。 図１のヒートシンクを含む点灯装置の第１の実施例の側断面図である。 図５の点灯装置の第１の実施例の別の側断面図である。 図５の点灯装置の第１の実施例のさらに別の側断面図である。 図５の点灯装置の水平断面図である。 図８の切抜き部の拡大図である。 図１のヒートシンクを含む点灯装置の第２の実施例の側断面図である。 冷却フィンの形状の略図を示す底面図である。 冷却フィンのさらに別の形状を底面図として示す底面図である。 点灯装置の第３の実施例の側断面図である。 図１３の点灯装置に関する寸法関係を示す図である。 図１３の点灯装置の切抜き部の詳細を示す図である。

図１〜図４は、冷却特性だけでなく、照明特性、機械的固定特性、および空気誘導特性を含む、ヒートシンク１を示す。このヒートシンクは、それぞれのキャビティ壁（ヒートシンク本体）３、すなわち底壁１３および円周方向の側壁６によって形成された、カップ形状のキャビティ２を含む。

効果的な冷却特性のために、ヒートシンク１は、キャビティ壁３、すなわち底壁１３および側壁６の外部に一体的に接続された、垂直に整列された複数のフィン（羽根）４を含む。フィン４は、ヒートシンク１の長手方向軸Ａに対して回転対称となるよう、壁に接続されている。隣接するフィン４間の各間隙は、それぞれの空気流経路２６を作り出す。（長手方向軸Ａに対する）フィン４の上部は、円周方向の突起（外部リム）５によって覆われている。フィン４はカップ形状の体積を充填しており、それは利用可能な空間の非常に良好な使用を付与する。フィン４の厚さ、およびフィン４間の間隙／距離／経路幅それぞれの厚さは、以下にさらに説明するように、熱拡散能力と利用可能な冷却面との兼ね合いである。

キャビティ底壁３の下方で、フィン４は、キャビティ２の底部から下向きに突出し、かつゼロになることのない底部区域（ヒートシンク中心）１２を有する共通のヒートシンクベース１１に、接触していないもののすべて接続されている。能動フィンゾーンへの迅速な熱拡散のために、かつ、無駄な乱流を回避し、ひいては騒音を最小限に抑える強制空気流の経路への円滑な誘導のために、ベース１１は角錐断面形状を有している。幅、厚さ、および中心区域は、熱拡散と冷却面（フィン４）への熱の迅速な移動との兼ね合いである。

フィン４、ひいてはそれらの間の空気流経路２６は、効率的な空気冷却および能動的冷却に関する騒音の最小化につながる円滑な空気誘導のために、ヒートシンクベース１１からキャビティ側壁６（ヒートシンク本体）に沿って側方出口２７まで連続的に延びている。言い換えると、空気流経路２６は、発光方向における暖気流を回避するよう、暖気の放射状の側方出口を提供するために、側方開口部２７へ空気を向ける円滑な曲がった経路として構成されている。回転対称的な空気出口２７はしたがって、立体角当りの流量を減少させ、認識可能な暖気流を最小限に抑え、また、能動的冷却の強化にもかかわらず騒音を和らげる。同じ趣旨で、オプションのケースグリッドを通るより低圧での移動のために、フィン４の外縁の段９によってもたらされる空気経路２６の拡大が、末端に提供される。フィン４の材料は、フィン４への迅速な熱拡散用に選択される。

２つのコネクタ切抜き部１０によって、および図示された取付支柱８のような取付構造によってもたらされる経路分断を克服するために、キャビティ側壁６も熱拡散層として作用する。少なくともキャビティ側壁区分６の厚さは、熱拡散能力と空気流経路の幅、すなわち冷却面との兼ね合いである。

照明特性については、キャビティ２の底面１３は、少なくとも１つの光源、たとえば１つ以上のＬＥＤサブマウントまたはＬＥＤモジュールを受けるよう適合されている。サブマウント用の材料の厚さおよび選択は、コストと性能との兼ね合いである。ＬＥＤサブマウントからの良好な熱拡散を確実にするために、基板１５の熱伝導性は少なくとも、ヒートシンク１の材料の熱伝導性よりも高い。

たとえば材料としてＣｕまたはＣｕ合金を使用することにより、サブマウント／ＬＥＤモジュールの基板１５の熱伝導性の係数λが、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高いならば、好ましい。そして、たとえば材料としてＡｌまたはＭｇ、もしくはそれらの合金を使用することにより、ヒートシンク壁３の熱伝導性の係数λが、１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であれば、好ましい。この組合せはまた、銅の使用が限定されているため、比較的安価である。もちろん、他の材料、特に、他のまたはより多くの金属や、１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜１９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の典型的なλを有するＡｌＮのような熱伝導セラミックも、使用されてもよい。とりわけ、環境、利用可能な空間、および放散される熱の量に依存して、少なくともキャビティ壁３（またはヒートシンク１の孔の反対側）は、係数λがステンレス鋼のように少なくとも約１５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、特に少なくとも約１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらにより好ましくは１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜４５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらにより好ましくは１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である、伝導性のよい材料、好ましくは金属でできていてもよい。

違うやり方でＬＥＤダイをたった１つのサブマウント上に直接配置すべき場合、後者は電気的に分離していなければならず、その目的のために、熱伝導性が２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小さい材料が好ましい。また、ＬＥＤダイの電気的分離は、独立した多色動作のために保証されなければならない。この目的のために、ＬＥＤパッケージが電気絶縁体として機能するか、または、たとえば１８０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲のＡｌＮといった熱伝導性ができるだけ高い第１の電気的に分離したサブマウント上にＬＥＤダイを配置する必要がある。それからこのＬＥＤアセンブリは、第２のサブマウント上に配置される。ＬＥＤアセンブリとヒートシンク１との間の第２のサブマウントの統合は、冷却性能と材料コストとの兼ね合いである。

ＬＥＤサブマウントの電力線および信号線は、コネクタ切抜き部１０を通って導かれてもよい。内部側面６は少なくとも部分的に反射体として作用し、反射区域はたとえば研磨され、塗装され、材料堆積により積層され、または鏡面反射もしくは乱反射のためにそれに応じて反射ホイルなどを含んでいてもよい。キャビティ側壁６は、以下にさらに詳細に説明するように、光学素子を固定するための収容手段をさらに含む。キャビティ側壁６は、利用可能な空間の最良の使用のために、カップ形状になっている。

機械的固定特性については、ヒートシンク１は、以下により詳細に説明するように、それを点灯装置に固定するための３つの取付支柱８をさらに含む。取付支柱８は、軸Ａに対して対称的な配置にはなっていない。

空気誘導特性については、ヒートシンク１は、他の構成要素、たとえばドライバ基板に空気流を向けるための空気誘導手段をさらに含んでいてもよい。

一般に、ヒートシンク１が、たとえば一体型として製造された一体要素であれば、有利ではあるものの、必要不可欠ではない。

図５は、図１〜図４のヒートシンク１をハウジング２８内に含む点灯装置１４を示す。
照明特性については、点灯装置１４は、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）１６を支持する基板１５を含む１つのＬＥＤサブマウントを含む、キャビティ２内の照明手段をさらに含み、ＬＥＤサブマウント１５、１６はキャビティ２の底面１３に取付けられている。照明手段はまた、フレネルレンズ１７とその上方のマイクロレンズアレイ１８とを含む、キャビティ２の上部カバーを含む。キャビティ側面６、すなわちキャビティ壁３の側方区分の内面は、ＬＥＤチップ１６によって出射された光を面６で反射することにより、この光用の反射体として作用しており、このようにしてレンズ１７、１８を通過する光の量を増大させる。この反射体はこのため、自立した、または別個の構造ではないものの、多機能ヒートシンク１の一部である。

冷却性能については、ハウジング２８は、フィン４の上部領域（出口領域）に隣接する側方空気出口開口部１９を円周方向に含む。図示された実施例では、ハウジング２８それ自体は、ヒートシンク１内の空気流に対して、または点灯装置１４に対して、著しい影響を与えない。

ヒートシンク１の下方には、ヒートシンク１から強制空気流発生器２１、たとえばファンを分離する、流体動的領域または空気誘導構造２０が位置している。この場合の空気誘導構造２０は、開放空間として設計されている。空気流発生器とヒートシンクベースとの間の空気誘導構造２０は、連続的な空気流および十分なファンパワーの使用を保証する強制流の発達のための空間を提供しており、一方、空気の乱れによるファンの騒音を回避する。側壁は、ヒートシンク経路への冷却空気の効率的な誘導のために、たとえばまっすぐな管として、または砂時計の形状といった、異なる形状であってもよい。

空気誘導構造２０および空気流発生器２１に対して横に、プリント回路基板（ＰＣＢ）２３が位置付けられており、それらの上には、点灯装置１４の動作を制御する電気および電子部品、たとえばＬＥＤドライバ、ファンドライバなどが配置されている。ＰＣＢ２３は、小型の設計およびＰＣＢ２３の十分な冷却を可能にするために、回転対称的に円形／リング形状の支持体２４上に垂直に配置されている。リング形状の支持体２４は次に、ハウジング２８によって支持されている。機械的固定特性については、ヒートシンク（ヒートシンク構造）１は、以下により詳細に説明するように、リング形状の支持体２４をハウジングに固定および／または締結してもよい。

ヒートシンク１の傾斜した外周、すなわちフィン４の傾斜した外縁を覆って、（オプションの）空気邪魔板２５が位置付けられている。空気誘導特性については、最も効率的な光源冷却のために、この空気邪魔板２５が空気流経路２６を通して冷却空気全体を強制的に送り込む。

ファン２１の下方のハウジング２８は、円形の空気取入開口部２２を含んでおり、明確にするために、それらのうちの一部にのみ参照番号を付与する。

図６は、図５の点灯装置１４を示しており、ここで、空気流は矢印Ｃによっておおまかに示されており、ヒートシンクベース１１はハッチングによって強調表示されており、フィン４の輪郭は点鎖輪郭線によって強調表示されており、キャビティ側壁６が強調されている。

点灯装置１４の動作中、ファン２１は下方の空気取入開口部２２を通して空気を吸込み、流体動的領域／空気誘導構造２０を通してハウジング２８内に空気流を作り出す。空気誘導構造２０は、ほぼ層状の空気流をヒートシンク１の底部領域へ向ける。そこで、空気は、隣接するフィン４間のそれぞれの間隙によって作られた空気流経路に入る。ヒートシンク１の底部で、空気は、とりわけ空気誘導要素としても機能するヒートシンクベース１１の突出したテーパ付き断面形状によって、横にそらされる。空気は次に、それが側方空気出口開口部１９および空気流出口２７をそれぞれ通って外部に吹き出されるまで、空気流経路を通って上方に流れる。フィン４は、横方向に突出するヒートシンクリム５によって上部が覆われている。空気出口２７および側方出口開口部１９それぞれの横方向の回転対称配置は特に、小型の設計を確実にし、発光方向における認識可能な暖気流を最小限に抑え、立体角当りの流量を減少させ、ひいては能動的冷却の強化にもかかわらず騒音を和らげる。ヒートシンクフィンの周囲の空気邪魔板２５は単にオプションであり、それらは、最も効率的な光源冷却のために、ヒートシンク経路を通して冷却空気全体を強制的に送り込む。

空気邪魔板２５がない場合、ヒートシンクの空気流経路からの空気の漏れによるＰＣＢ２３の穏やかな冷却が有利に提供され、空気誘導特性に寄与する。

図示された冷却設計は、フィン４がＬＥＤサブマウント１５、１６と良好に熱接触しているため、非常に効率的である。これは第１に、比較的長い長さにわたってフィン４をヒートシンクベース１１に接続することによって達成され、一方、同時に、ベース１１は、その比較的大きい体積のため、ＬＥＤサブマウント１５、１６からの熱を効率的に伝達する。また、キャビティ壁３は、フィン４がキャビティ壁３から著しい熱負荷を付加的に得るよう、良好な熱拡散特性を示している。これは、それぞれのフィンの深さ、ひいては熱拡散能力が著しく減少するものの、フィン４が依然として熱伝達に著しく寄与できる、切抜き部１０の領域において、フィン４にとって特に有用である。一般に、とりわけヒートシンクベース１１の体積（たとえばその高さ、幅およびサイズ）の減少、およびキャビティ壁３の厚さの減少は、大きな熱拡散体積によって可能になる強力な熱拡散特性と、低コストで軽量の点灯装置を構築したいという願望との釣り合いである。

図７は、いくつかの例示的な設計寸法を有する図５および図６の点灯装置１４を示す。点灯装置１４は特に、４０Ｗ+/-３０％の光源パワーを使用するよう設計されており、装置１４の面積は直径が１０〜４０ｍｍである。

光学部品ゾーンでは、キャビティ２の底部１３での直径Ｌ１が約４０ｍｍ、キャビティ２の上部での直径Ｌ２が約１００ｍｍ、およびキャビティ壁３の高さｈが約６０ｍｍであると、非常に良好な照明特性を付与することがわかっている。

また、他の理由のためではなく熱的理由のために使用される場合、サブマウント／基板１５の材料は、ヒートシンク１用に使用される材料よりも良好な熱性能を示す、ということがわかっている。その幅は有利には最大がＬ１であり、一方、（長手方向軸に沿った）その厚さは、好ましくは０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある。ヒート拡散コア用の有利な材料は、銅である。

裁頭錐形状のヒートシンクベース１１については、ベース上部幅ＬｔがＬ１≦Ｌｔ≦１．５×Ｌ１の範囲にあり、ベース中心１２の幅Ｌｃが先端≦Ｌｃ＜Ｌ１の範囲にあり、ベース１１の高さＨｂが０．０５×Ｌ１≦Ｈｂ≦０．５×Ｌ１の範囲にあることが有利であることがわかっている。

図８および詳細図としての図９は、キャビティ２の底部１３と空気出口１９との間の水平断面を示している。フィン４、および間に作られた空気流経路２６については、フィン４の厚さＦ１が０．１ｍｍ≦Ｆ１≦３ｍｍの範囲にあり、フィン４の長さＦ２が５ｍｍ≦Ｆ２≦４０ｍｍの範囲にあり、空気流経路２６の厚さＣ１が０．４ｍｍ≦Ｃ１≦８ｍｍの範囲にあることが有利であることがわかっている。

ここで図７に戻ると、空気流経路２６の全体的な高さＨｃがＨｂ≦Ｈｃ≦ｈ＋Ｈｂの範囲にあることが有利であることがわかっている。側方空気流出口２７の高さＨｅは、有利には、０．１×Ｈｃ≦Ｈｅ≦０．６×Ｈｃの範囲にある。

キャビティ壁３の厚さＤｗは、好ましくは、０．５ｍｍ≦Ｄｗ≦１０ｍｍの範囲にある。

空気誘導構造２０の高さＨｇは、好ましくは、強制空気流発生器、ここではファン２１の高さの１／２〜２倍の範囲にある。

正確な寸法は、とりわけ、利用可能な空間、光学部品に対する空間的要求、ドライバおよび要求された外形、および光源からの総パワーおよびパワー密度に依存しており、それに応じて変化してもよい。

図８はまた、対称的に配置された５つのＰＣＢ２３の位置と、さらには底部１３に配置された基板１５上にそのＬＥＤ１６が取付けられたＬＥＤサブマウントを示している。コネクタ切抜き部１０を通してサブマウント１５、１６を接続する電力線および信号線は、図示されていない。

図９の拡大図によって示すように、フィンは異なる形状であってもよいが、好ましくは、すべて形状を有している。たとえば、フィン４は矩形の断面形状のものであってもよく、フィン２９は湾曲し、テーパが付いた形状のものであってもよく、またはフィン３０は三角形状であってもよい。他の形もこの発明の範囲内にある。

図１０は、図５に似た図における点灯装置３１を示しており、流体動的領域／空気誘導構造３２の内側の輪郭は、ここでは砂時計の形状であり、すなわち、側壁４１は（垂直（ｚ）方向に対して）中央に向かってより狭くなっている。

図１１および図１２は、下から見た場合のフィンの異なる基本湾曲、すなわちヒートシンクベース中心１２からまっすぐに横方向に延在するフィン４と、噴出形状に延在するフィン３３とを示している。もちろん、ヒートシンクベース中心１２の区域のサイズは変化してもよく、点形状であってもよく、またはフィン４、３３の底縁から全く延在していなくてもよい。

図１３は、図５に似ているものの取付支柱８のうちの１つを通る断面における点灯装置３４を示している。図１３の点灯装置３４は、図５の点灯装置１４と比べ、空気邪魔板がない点、およびヒートシンク１の反射領域が、ＬＥＤ１６を含む領域を除いてキャビティ壁３を覆う反射層３５を含んでいる点で、若干異なっている。他の構成要素の形状および機能は、同じままである。

ここで点灯装置３４を、点灯システム３４の他の構成要素、たとえばファン２１にとっての機能的基準および構造領域として導入されている４つの機能ゾーン、すなわちゾーンＡ〜ゾーンＤの観点から説明する。このゾーンの概念は、光学界面（ゾーンＡ）、熱［伝導および対流］界面（ゾーンＢ）、強制空気流との界面（ゾーンＣ）、および、たとえばドライバ基板２３およびさらなる構成要素［たとえば、ファン２１および初期空気発達領域（空気誘導領域３２）］との外部機械的固定（ゾーンＤ）の機能のような、相互接続された多くの機能を含むヒートシンク１の多機能性を説明するために特に有用である。ヒートシンク１は、容易に拡張可能かつ統合可能であり、小型のＬＥＤ点灯システム３４を可能にする。

照明ゾーン（または領域）Ａは、図１４にも概略的に示されているが、ヒートシンクキャビティ２の基本的に台形の断面形状を含んでおり、Ｌ１は光源３６（たとえばＬＥＤサブマウント）を配置し、中心におくことが可能な短辺（底辺）であり、Ｌ２はいくつかの光学層１７、１８のコリメーション後の最終出射面のサイズであり、Ｌ３は、光反射体として使用され、モデル化されている内部側方ヒートシンク側面６（キャビティ側壁６）の長さである。ＲｔはＬ２／Ｌ１の比率であり、典型的には、光源３６の寸法、および必要なヒートシンク放散面積に依存して、１．２５〜５の範囲となる（図１４のＲｔは、必要な放射パターン、およびそれぞれのランプ規格の最大直径に起因して、ほぼ２に等しい）。

冷却ゾーン（または領域）Ｂは、ゾーンＡにおいて取付けられたＬＥＤ光源３６を内部で保持し、効率的な熱放散（受動的および能動的）を提供する金属層状のヒートシンク構造１を含む。ヒートシンク１の側方領域の厚さＤＬ＝Ｆ２＋Ｄｗは、固定された外形寸法用に利用可能な最大面積に従って設計され、光源３６の寸法に幾何学的に関連している。典型的には、ＤＬ＝Ｌ１／ｎが成立し、ここでｎは、光源のワット数および寸法に比例し、典型的には約０．５、…、１０の範囲に位置する。ワット数が高いＬＥＤ光源３６については、ｎはより低い範囲になければならない。たとえば、図１４に概略的に示すように、４０Ｗ、Ｌ１＝４０ｍｍ、およびｎ＝２．７という光源パワー（高パワー源）は、約１０ｍｍという好ましいＤＬを生み出す。

ゾーンＣ（図１３を参照）は、ヒートシンク１への空気ガイド２０、３２として使用される。このガイド２０、３２の高さは、ファン２１からヒートシンク１への空気流の層流性（レイノルズ数）を設定するために調節されてもよい。空気ガイド２０、３２の高さＨｇは、ガイド下方に配置されたファンの高さに関連する最小寸法、たとえばファン２１の高さの１／２を課して調節されてもよい。この最小寸法は、密度を最適にし、かつ遷移ゾーン前のレイノルズ数を保つ、空気速度の層状プロファイルを提供可能である。取付支柱８の長さを設定することにより、ヒートシンク１とファン２１との距離は容易にかつ正確に設定可能であり、組立中の調節を回避する。支柱８はこのため、スペーサ要素として作用する。

ゾーンＤでは、図１５に示すように、ヒートシンク１は外部固定のための取付支柱８を提供し、また、ＰＣＢ支持体２４を固定することによるドライバ基板２３の安定した取付け、ならびに低い公差、機械的吸収、および電気絶縁を提供可能な、支柱８の自由端（頭部）上に位置する追加の同軸プラスチック部品または要素３７を提供する。プラスチック要素３７は、機械的干渉によって支柱内に固定される。このプラスチック要素３７は、２つの重要な機能を提示する。第１の機能は、点灯装置３４の完全な最終取付け（機械的干渉）の前に、同軸孔によってドライバ基板２３を方向付け、固定することである。第２の機能は、ヒートシンク１とドライバ基板２３（および支持体２４それぞれ）との間に電気絶縁を提供することであり、その点で、プラスチック要素３７の厚さは１．２〜１．８［ｍｍ］の範囲にある。容易な組立のために、ハウジング２８を装着する前に位置的に固定されるよう、支持体２４を最初にプラスチック要素３７に押し付けてもよい。同支柱８はまた、能動的熱放散のための追加の構成要素（たとえばファン２１）を固定するために使用されてもよい。この点で、ファン２１、プラスチック要素３７、および取付支柱８はすべて、図示されているような、互いに整列され、締結要素、たとえばボルトまたはねじを受けるよう適合された掘削孔３８、３９、および４０をそれぞれ有している。支柱８の掘削孔４０はその場合、好ましくはねじが切られている。

もちろん、この発明は、図示された例示的な実施例に限定されない。
たとえば、ＬＥＤ以外の光源が使用されてもよい。２つ以上のサブマウントが使用されてもよい。ベースは、たとえば空気流発生器に依存して、他の形状、たとえば矩形の断面形状を有していてもよい。また、強制空気流発生器はファンでなくてもよく、たとえば振動膜を含んでいてもよい。さらに、空気誘導構造２０は、構成された空気流経路を含んでいてもよい。

参照番号のリスト
１ ヒートシンク
２ キャビティ
３ キャビティ壁
４ 垂直フィン
５ リム
６ キャビティ内部側壁
８ 取付支柱
９ 段
１０ コネクタ切抜き部
１１ ヒートシンクベース
１２ ヒートシンクベース中心
１３ キャビティの底部
１４ 点灯装置
１５ 基板
１６ ＬＥＤ
１７ フレネルレンズ
１８ マイクロレンズアレイ
１９ 側方空気出口開口部
２０ 流体動的領域／空気誘導構造
２１ 強制空気流発生器
２２ 空気取入開口部
２３ プリント回路基板
２４ 支持体
２５ 空気邪魔板
２６ 空気流経路
２７ 空気流出口
２８ ハウジング
２９ フィン
３０ フィン
３１ 点灯装置
３２ 流体動的領域／空気誘導構造
３３ フィン
３４ 点灯装置
３５ 反射層
３６ 光源
３７ プラスチック絶縁要素
３８ 掘削孔
３９ 掘削孔
４０ 掘削孔
４１ 側壁
Ｌ１ キャビティの底部での直径
Ｌ２ キャビティの上部での直径
ｈ キャビティ壁の高さ
Ｌｔ ヒートシンク上部幅
Ｌｃ ヒートシンクベース中心幅（頂点幅）
Ｈｂ ヒートシンクベース高さ
Ｆ１ フィンの厚さ
Ｆ２ フィンの横方向長さ
Ｃ１ 空気流経路の厚さ
Ｈｃ 空気流経路の全体的高さ
Ｈｅ 側方空気流出口の高さ
Ｄｗ キャビティ壁の厚さ
Ｈｇ 空気誘導構造の高さ

有利には、キャビティ壁の底部のベースフィンはまた、渦巻パターンで放射状に延在していてもよい。

図１１および図１２は、下から見た場合のフィンの異なる基本湾曲、すなわちヒートシンクベース中心１２からまっすぐに横方向に延在するフィン４と、渦巻形状に延在するフィン３３とを示している。もちろん、ヒートシンクベース中心１２の区域のサイズは変化してもよく、点形状であってもよく、またはフィン４、３３の底縁から全く延在していなくてもよい。

Claims (52)

1. 照明領域を含むヒートシンク（１）であって、
   照明領域は、光源（１５、１６）が取付けられるよう適合された光源領域（１３）と、光源（１５、１６）から出射された光を反射するよう適合された反射領域（６）とを含む、ヒートシンク（１）。
2. 光源は少なくとも１つのＬＥＤサブマウント（１５、１６）を含む、請求項１に記載のヒートシンク（１）。
3. 照明領域は、少なくとも１つの光学素子（１７、１８）を固定するための光学部品固定手段をさらに含む、請求項１または２に記載のヒートシンク（１）。
4. 光学素子はフレネルレンズ（１７）を含む、請求項３に記載のヒートシンク（１）。
5. 光学素子はマイクロレンズアレイ（１８）を含む、請求項３または４に記載のヒートシンク（１）。
6. 反射領域（６）は、ヒートシンク（１）の研磨または塗装された表面を含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
7. 反射領域（６）は反射層（３５）を含む、請求項１〜５のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
8. 照明領域は、キャビティ壁（３）によって形成された開放キャビティ（２）を含み、キャビティ底壁（１３）は光源領域を含み、キャビティ側壁（６）は反射領域を含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
9. キャビティ（２）の高さ（ｈ）が３０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲にあり、特に約６０ｍｍである、請求項８に記載のヒートシンク（１）。
10. キャビティ底部（１３）の幅（Ｌ１）が２０ｍｍ〜６０ｍｍの範囲にあり、特に約４０ｍｍである、請求項８または９に記載のヒートシンク（１）。
11. キャビティ（２）の上部の幅（Ｌ２）が８０ｍｍ〜１２０ｍｍの範囲にあり、特に約１００ｍｍである、請求項８〜１０のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
12. キャビティ（２）の上部の幅（Ｌ２）とキャビティ底部（１３）の幅（Ｌ１）との比率（Ｒｔ）が、１．２５≦Ｒｔ≦５の範囲にある、請求項８〜１１のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
13. キャビティ側壁（６）の厚さ（Ｄｗ）が、０．５ｍｍ≦Ｄｗ≦１０ｍｍの範囲にある、請求項８〜１２のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
14. １５０〜２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲の熱伝導性を有する材料を含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
15. Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｇ、またはそれらの合金を含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
16. 少なくとも１つのサブマウント（１５、１６）の基板（１５）は、２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導性を有する材料を含む、請求項２と組合された前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
17. 少なくとも１つのサブマウント（１５、１６）の基板（１５）は、材料としてＣｕまたはＣｕ合金を含む、請求項２と組合された前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
18. ヒートシンク（１）を点灯装置（１４）に装着するための少なくとも１つの取付支柱（８）をさらに含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
19. 非対称的に配置された少なくとも３つの取付支柱（８）を含む、請求項１８に記載のヒートシンク（１）。
20. 取付支柱（８）は、照明方向とは反対の方向に延在している、請求項１８または１９に記載のヒートシンク（１）。
21. 取付支柱（８）のうちの少なくとも１つは、締結要素によって挿入されるよう適合された掘削孔（４１）を含む、請求項１８〜２０のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
22. 掘削孔（４１）は、ねじが切られた区域を少なくとも部分的に含む、請求項２１に記載のヒートシンク（１）。
23. 取付支柱のうちの少なくとも１つは、電気的に分離する要素（３７）が装着されるよう適合された装着領域を含む、請求項１８〜２２のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
24. 少なくとも１つの取付支柱（８）は、その自由端に、掘削孔（４１）の開口部、および装着領域を含む、請求項２１〜２３のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
25. 少なくとも１つの取付支柱（８）は、少なくとも１つのプリント回路基板（２３）を固定するよう適合されている、請求項１８〜２４のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
26. 底部領域および側方領域を含むヒートシンク（１）の外部の少なくとも一部を覆う熱拡散放散構造（４、１１）をさらに含む、前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
27. 熱拡散放散構造は、底部領域から側方領域に通じる少なくとも１つの空気流経路（２６）を含み、空気流経路（２６）は側方出口（１９）を含む、請求項２６に記載のヒートシンク（１）。
28. ヒートシンク（１）は、光源領域（１３）から外部に延在し、かつキャビティ壁（３）から突出した、中実のヒートシンクベース（１１）を含み、
    熱拡散放散構造（４）はヒートシンクベース（１１）と熱接触している、請求項８〜２７のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
29. ヒートシンクベース（１１）は、そのベースが光源領域（１３）に位置付けられた状態で、テーパ付き形状を有している、請求項２８に記載のヒートシンク（１）。
30. ヒートシンクベース（１１）のテーパ付き形状は、錐の形状である、請求項２９に記載のヒートシンク（１）。
31. ヒートシンクベース（１１）のベース幅（Ｌｔ）が、Ｌ１≦Ｌｔ≦１．５・Ｌ１の範囲にある、請求項２８〜３０のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
32. ヒートシンクベース（１１）の頂点幅（Ｌｃ）が、０≦Ｌｃ＜Ｌ１の範囲にある、請求項２８〜３１のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
33. ヒートシンクベース（１１）の高さ（Ｈｂ）が、０．０５・Ｌ１≦Ｈｂ＜０．５・Ｌ１の範囲にある、請求項２８〜３２のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
34. 熱拡散放散構造は、垂直に整列された複数のフィン（４）を含む、請求項２６または３３に記載のヒートシンク（１）。
35. ２つの隣接するフィン（４）間の円周方向距離（Ｃ１）が、０．４ｍｍ≦Ｃ１≦８ｍｍの範囲にある、請求項３４に記載のヒートシンク（１）。
36. フィン（４）の厚さ（Ｆ１）が、０．１ｍｍ≦Ｆ１≦３ｍｍの範囲にある、請求項３４または３５に記載のヒートシンク（１）。
37. フィン（４）の横方向長さ（Ｆ２）が、５ｍｍ≦Ｆ２≦４０ｍｍの範囲にある、請求項３４〜３６のいずれかに記載のヒートシンク（１）。
38. 前述の請求項のいずれかに記載のヒートシンク（１）を含む、点灯装置（１４；３４）。
39. ヒートシンク（１）に強制空気流を供給するよう適合された空気流発生器（２１）を含む、請求項３８に記載の点灯装置（１４；３４）。
40. 強制空気流発生器（２１）は、ヒートシンク（１）の底部に空気流（Ｃ）を供給するよう適合されている、請求項３９に記載の点灯装置（１４；３４）。
41. 空気流発生器（２１）はヒートシンク（１）の下方に位置付けられている、請求項４０に記載の点灯装置（１４；３４）。
42. 空気流発生器（２１）は、空気誘導構造（２０；３２）によって、ヒートシンク（１）から間隔を置かれている、請求項３８〜４１のいずれかに記載の点灯装置（１４；３４）。
43. 空気誘導構造（２０；３２）は開放空間を含む、請求項４２に記載の点灯装置（１４；３４）。
44. 開放空間はまっすぐな管という基本形状を有する、請求項４２または４３に記載の点灯装置（１４）。
45. 開放空間は砂時計の形状をしている、請求項４２または４３に記載の点灯装置（３４）。
46. 空気誘導構造（２０；３２）の高さ（Ｈｇ）は、強制空気流発生器（２１）の高さの１／２〜２倍の範囲にある、請求項４２〜４５のいずれかに記載の点灯装置（１４；３４）。
47. 少なくとも１つのプリント回路基板を支持するよう適合された支持体（２４）をさらに含む、請求項３８〜４６のいずれかに記載の点灯装置（１４；３４）。
48. 支持体（２４）は円形形状であり、空気誘導構造および強制空気流発生器のうちの１つの周囲に位置付けられている、請求項４７に記載の点灯装置（１４；３４）。
49. 支持体（２４）は、取付支柱（８）のうちの１つを受けるための少なくとも１つの貫通孔（３９）を含む、請求項４７または４８に記載の点灯装置（１４；３４）。
50. 少なくとも１つのＰＣＢ（２３）は、支持体（２４）に垂直に装着されている、請求項４７〜４９のいずれかに記載の点灯装置（１４；３４）。
51. 複数のＰＣＢ（２３）は、点灯装置（１４；２４）の長手方向軸（Ａ）の周囲に対称的に配置されている、請求項５０に記載の点灯装置（１４；３４）。
52. 強制空気流発生器（２１）の掘削孔（３８）、および取付支柱（８）のうちの１つの掘削孔（４０）は、共通の締結要素を受けるよう整列されている、請求項３８〜５１のいずれかに記載の点灯装置（１４；３４）。