JP2012155904A - Ｌｅｄ照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱フィンのみを用いた設計の場合、１００Ｗ程度の電力を消費する高出力のＬＥＤ照明装置では放熱が間に合わずＬＥＤが３０℃程度も上昇してしまい、ＬＥＤの劣化が進むという問題があった。
【解決手段】本発明は、ＬＥＤ構造体と、ＬＥＤ構造体で発生する熱を放熱するＬＥＤ用ラジエータと、からなるＬＥＤ照明装置であって、ＬＥＤ用ラジエータは、ＬＥＤ構造体の発光面の反対側の面と接する放熱ステージと、放熱ステージに直接配置される櫛形放熱フィンと、放熱ステージの熱を伝導し、天井側に伸びるヒートパイプと、ヒートパイプの熱を放熱するために櫛形放熱フィンより天井側に配置される多層放熱フィンと、からなるＬＥＤ照明装置を提案する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高い放熱設計が施されたＬＥＤ照明装置に関する。

近年、照明装置の光源として、白熱電球に代わってＬＥＤが広く用いられるようになってきている。ＬＥＤは白熱電球に比べて製品寿命が長く、点灯と同時に最大光量を得ることができるという利点がある。

一方、ＬＥＤは熱に弱く、温度上昇と供に発光効率が下がったり、素子が劣化してしまったりするという問題点があった。特に多くの電力を消費するＬＥＤ照明装置となると、無視できないほどの熱がＬＥＤから放出されるため、発光効率を維持し、かつ、劣化を防止するためには適切な放熱設計を施す必要がある。

具体的な放熱設計としては、例えば特許文献１に開示されているように、ＬＥＤの回路基板の裏側に放熱フィンを設けることが考えられる。放熱フィンによりＬＥＤの回路基板から熱を吸収し、放熱フィンの表面から周囲に対して放熱することでＬＥＤが高温になることを抑制している。

特開２００７−３０５４５５

しかしながら、上記放熱フィンのみを用いた設計の場合、１００Ｗ程度の電力を消費するＬＥＤ照明装置では放熱が間に合わず、ＬＥＤの温度が３０℃以上も上昇してしまうという問題があった。そこで、本件発明は、従来のＬＥＤ照明装置よりもさらに効率的な放熱設計を施した照明装置を提案することを課題としている。

以上の課題を解決するために、本発明は、ＬＥＤ構造体と、ＬＥＤ構造体で発生する熱を放熱するＬＥＤ用ラジエータと、からなるＬＥＤ照明装置であって、ＬＥＤ用ラジエータは、ＬＥＤ構造体の発光面の反対側の面と接する放熱ステージと、放熱ステージに直接配置される櫛形放熱フィンと、放熱ステージの熱を伝導し、天井側に伸びるヒートパイプと、ヒートパイプの熱を放熱するために櫛形放熱フィンより天井側に配置される多層放熱フィンと、からなるＬＥＤ照明装置を提案する。

本発明では、櫛形放熱フィンに対して放熱ステージの熱を直接的に伝えるのみならず、ヒートパイプにより放熱ステージの熱を離れた位置にある多層放熱フィンに短時間で伝達可能であるため、従来のＬＥＤ照明装置よりもさらに効率的に放熱を行うことが可能になる。これにより、高出力のＬＥＤ照明装置を実現することが可能になる。

ＬＥＤ照明装置の構成例を正面方向から見た図 ＬＥＤ照明装置の構成例を右側面方向から見た図 ＬＥＤ構造体の構成例を示す図 櫛形放熱フィンの構成例を示す図 櫛形放熱フィンの他の構成例を示す図 放熱ステージの構成例を示す図 放熱ステージの他の構成例を示す図 ＬＥＤ照明装置の他の構成例を正面方向から見た図 ＬＥＤ照明装置の他の構成例を右側面方向から見た図 多層放熱フィンの各層の形状の例を示す図 櫛形放熱フィンと多層放熱フィンの他の配置例を示す図 ＬＥＤ照明装置の他の構成や形状を示す図 ＬＥＤ照明装置の構成例を正面側面方向から見た図 ＬＥＤ照明装置の構成例を右側面方向から見た図

以下、本発明の実施形態について説明する。請求項と実施形態の対応は以下のとおりである。実施形態１は主に請求項１、２について説明している。実施形態２は主に請求項３について説明している。

<<実施形態１>>

<概要>
図１、図２は、本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成例を示す図である。図１は、正面方向から見た図であり、図２は右側面方向から見た図である。これらの図に示すように、本実施形態の「ＬＥＤ照明装置」１００は、「ＬＥＤ構造体」１と「ＬＥＤ用ラジエータ」２から構成され、ＬＥＤラジエータは、ＬＥＤ構造体の発光面の反対側の面と接する「放熱ステージ」１１と、放熱ステージに直接配置される「櫛形放熱フィン」１２と、放熱ステージから天井側に伸びる「ヒートパイプ」１３と、ヒートパイプからの熱を放散するための「多層放熱フィン」１４を有する。当該構造により、ＬＥＤ構造体で発生する熱を効率的に放散することが可能になる。

<構成>
図１、２で示したように、本実施形態の「ＬＥＤ照明装置」１００は、「ＬＥＤ構造体」１と、「ＬＥＤ用ラジエータ」２と、から構成される。また、「ＬＥＤ用ラジエータ」は「放熱ステージ」１１と、「櫛形放熱フィン」１２と、「ヒートパイプ」１３と、「多層放熱フィン」１４とから構成される。

「ＬＥＤ構造体」はＬＥＤからなる構造体である。例えば、図３に示すように、「ＬＥＤ」３１と「通電用銅箔パターン」３２、「絶縁層」３３、「アルミニウム基板」３４の積層構造とすることが考えられる。なお、ＬＥＤを絶縁性接着剤によりアルミニウム基板の上に直接的に接着させる構成も可能である。また、ＬＥＤ構造体のアルミニウム基板の下面に絶縁性放熱グリスを塗り、以下で述べるＬＥＤ用ラジエータへの放熱性を高める構成も可能である。また、ＬＥＤ構造体は、アルミニウム基板に対してねじ止めしてもよいし、接着剤などにより接着させてもよい。

「ＬＥＤ用ラジエータ」は、ＬＥＤ構造体で発生する熱を放熱する機能を有する。例えば、ＬＥＤ構造体のアルミニウム基板又はアルミニウム基板の下面に塗られた絶縁性放熱グリスを介してＬＥＤで発生した熱を吸収する。ＬＥＤ構造体から伝わる熱は、以下で述べる各部位により効率的に放散することが可能になる。

「放熱ステージ」は、ＬＥＤ構造体の発光面の反対側の面（以下、ＬＥＤ構造体放熱面という）と接する部位である。ここで、ＬＥＤ構造体放熱面と放熱ステージが接する状態としては、放熱グリスなどを介してＬＥＤ構造体放熱面と放熱ステージが間接的に接する場合も含まれるものである。

放熱ステージは、ＬＥＤ構造体から伝わる熱をその側面から放散すると同時に、放熱ステージに直接配置される櫛形放熱フィン、ヒートパイプを介して熱的につながる多層放熱フィンに対して熱を放散する。放熱ステージは、銅やアルミ、セラミックなどの熱伝導率の高い物質を用いることが好ましい。また、放熱ステージの形状は、ＬＥＤ放熱面と広く接するようにすることが好ましい。例えば、ＬＥＤ放熱面が曲面状である場合は、放熱ステージも当該曲面に接する形状とすることが好ましい。

「櫛形放熱フィン」は、放熱ステージに直接配置される部位である。つまり、ＬＥＤ照明装置を天井から吊るした状態において放熱ステージの真上に櫛形放熱フィンが配置されることになる。図４に示すように、「櫛形放熱フィン」は「土台部位」４１と、土台部位にて所定の間隔で配置される複数の「突出部位」４２から構成される。櫛形放熱フィンの土台部位は放熱ステージと接しており、放熱ステージからの熱を受け入れる。土台部位から入った熱は、突出部位まで伝えられ、櫛形放熱フィンの全体表面で放熱することになる。なお、突出部位は、平板形状に限定されるものではなく、図５に示すように平板形状をさらに細かくした棒形状とすることも可能であるし、その他の形状とすることも可能である。

櫛形放熱フィンは、銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属を用いることが好ましい。なお、放熱ステージと櫛形放熱フィンは必ずしも別々に構成される必要はなく、一体となって構成されてもよい。

「ヒートパイプ」は、放熱ステージの熱を多層放熱フィンへ伝える部位である。また、ヒートパイプは、放熱ステージから天井側に伸びる形状をしている。つまり、ＬＥＤ照明装置を天井から吊るした状態においてヒートパイプは放熱ステージからみて天井側に伸びる。また、ヒートパイプは、内部にフロンなどの揮発性液体（以下、熱伝導媒体という）を封入している。熱伝導媒体は、放熱ステージにより加熱されると気体となりヒートパイプの天井側に移動する。さらに、熱伝導媒体は天井側に移動する間にヒートパイプを介して周囲の空気や多層放熱フィンへ放熱し、液体状態に戻る。液体状態となった熱伝導媒体は、重力により放熱ステージ側へ戻る。なお、熱伝導媒体による熱移動の他に、パイプそのものによる熱移動も行われる。

上記ヒートパイプを用いることにより、放熱ステージから離れた位置にある多層放熱フィンの上層にまで短時間で熱を移動させることが可能になり、結果としてＬＥＤ構造体にて発生する熱を効率的に空気中に放散することが可能になる。

なお、上記ヒートパイプに代えて放熱ステージの熱を伝導し、天井側に伸びる水冷用チューブを用いることも可能である。ここで、水冷用チューブに流す液体は必ずしも水である必要はなく、アルコールオイル等のその他の液体を用いることも可能である。また、水冷用チューブを流れる液体は循環ポンプ又は自然対流によって循環させる構成も可能である。

また、水冷用チューブは、放熱ステージに単に接する構成とすることも可能であるが、放熱ステージの内部を中空構造にして水冷用チューブの流路と連結し、水冷用チューブの液体が放熱ステージの内部にいきわたるようにすることが好ましい。

図６は、放熱ステージの構成例を示す図である。この図は、ＬＥＤ構造体側から見た図であり、簡単のため、「放熱ステージ」１１と「ヒートパイプ」１３と「多層放熱フィン」１４のみを図示している（以下の図７も同様である）。この図の例では、ヒートパイプは放熱ステージの内部を貫通するように埋め込まれている。当該構成とすることにより、放熱ステージの内部にてヒートパイプの「熱伝導媒体」１５が温められ、短時間で気化して天井側の多層放熱フィンに熱を移動させることが可能になる。また、放熱ステージの厚さに余裕がある場合は、異なる方向を向いたヒートパイプ群も埋め込むことが可能である。

図７は、放熱ステージの他の構成例を示す図である。この図に示すように、「放熱ステージ」１１の内部に「熱伝導媒体」１５を適当量格納した「空洞領域（以下、熱伝導媒体格納領域という）」１６を設け、当該熱伝導媒体格納領域と複数の「ヒートパイプ」１３を連結する構成が考えられる。放熱ステージの内部で気化した熱伝導媒体は、各パイプに略等量的に入り込む。これにより、パイプ間で熱量の偏りが生じにくくなる。また、ヒートパイプの本数を増やしても放熱ステージの内部で交差することがないため、効率的に放熱ステージの熱を天井側の「多層放熱フィン」１４に移動させることが可能になる。

放熱ステージから天井側に伸びる複数のヒートパイプは、多層放熱フィンと交わるが、各ヒートパイプの交点が平面上においてできるだけ離れた位置となることが好ましい。当該構成とすることにより、各層の全体に対して熱を伝えやすくなり、結果として各層において効率的に空気に対して放熱することが可能になる。

図８、図９は、本実施形態のＬＥＤ照明装置の他の例を示す図である。図８は、正面方向から見た図であり、図９は右側面方向から見た図である。この図に示すように、「放熱ステージ」１１のみならず、「櫛形放熱フィン」１２の土台部位から天井側に伸びるように「ヒートパイプ」１３を設ける構成も可能である。当該構成とすることにより、「櫛形放熱フィン」１２の一部の熱を「ヒートパイプ」１３を介して天井側の「多層放熱フィン」１４に放散することができ、結果としてより効率的に放熱することが可能になる。

「多層放熱フィン」は、ヒートパイプの熱を放熱するための部位であり、櫛形放熱フィンより天井側に配置される。図１、図２で示したように、多層放熱フィンの各層は垂直方向に所定の間隔を開けて配置されており、各層を貫通するヒートパイプの側面から熱を受け入れ、受け入れた熱を各層の表面から空気に対して放散する。

多層放熱フィンは、銅やアルミなどの熱伝導率の高い金属を用いることが好ましい。また、多層放熱フィンの各層には、表面の一部に穴や切り込み部分を設けることが好ましい。特に、櫛形放熱フィンにより温められた空気が上昇できるように、櫛形放熱フィンの真上の部分を吹き抜け状態にしておくことが好ましい。例えば図１０に示すように、四角形の対角線部分のほぼ全てを取り除いた形状とすることが考えられる。当該形状とすることにより、櫛形放熱フィンにて温められた空気の上昇経路と、多層放熱フィンの各層にて温められた空気の上昇経路をそれぞれ確保することができ、温められた空気の滞留を抑制することが可能になる。

また、図１１に示すように、「櫛形放熱フィン」１２を櫛形フィンにもっとも近い「多層放熱フィン」１４の層（以下、最下層放熱フィンという）に垂設する構成とすることも可能である。当該構成とすることにより、櫛形放熱フィンから最下層放熱フィンに対して直接的に一部の熱を伝え、最下層放熱フィンの表面から放散させることが可能になる。

本実施形態のＬＥＤ照明装置は、上記構成の他に、ＬＥＤ照明装置としての一般的な構成を備えている。例えば、図１２に示すように、ＬＥＤ構造体の周りに配置される「ランプカバー」２１や、ＬＥＤラジエータの周りに配置される「ラジエータカバー」２２、ＬＥＤ構造体に電力を外部又は内部から電力を供給するための「電力供給部」２３、ＬＥＤ照明装置を天井からぶら下げるための「つりさげ部」２４などが挙げられる。また電力供給部自体も熱を発生させるため、この図に示すように、ＬＥＤ構造体から離れた位置に電力供給部を配置する構成が好ましい。また、この図に示すように、ＬＥＤ照明装置の内部に空気がこもらないようにラジエータカバーに穴などを設けて空気の流れ道を確保しておくことが好ましい。ただし、これらの構成は必須ではなく、その形状も種々なるものが考えられる。

また、上記で説明したＬＥＤ照明装置の内部構成は、ねじやボルトで固定することも可能であるし、はめ込みなどによって互いに固定することも可能であり、特に限定されるものではない。

<効果>
本実施形態の発明は、櫛形放熱フィンに対して放熱ステージの熱を直接的に伝えるのみならず、ヒートパイプにより放熱ステージの熱を短時間で多層放熱フィンに伝えることができるため、従来のＬＥＤ照明装置よりもさらに効率的に放熱を行うことが可能になる。これにより、高出力のＬＥＤ照明装置を実現することが可能になる。

<<実施形態２>>

<概要>
図１３、図１４は、本実施形態のＬＥＤ照明装置の構成例を示す図である。図１３は、正面方向から見た図であり、図１４は右側面方向から見た図である。これらの図に示すように、本実施形態のＬＥＤ照明装置は、基本的に実施形態１と同様であるが、「櫛形放熱フィン」１２と「多層放熱フィン」１４のそれぞれのフィンの間隙に空気を流通させるための一の「回転ファン」３をさらに有する。当該構成とすることにより、各フィンにより温められた空気を水平方向に吐き出すことが可能になり、さらに高い放熱効果を実現することが可能になる。

<構成>
図１３、１４で示したように、本実施形態の「ＬＥＤ照明装置」１００は、「ＬＥＤ構造体」１と、「ＬＥＤ用ラジエータ」２と、「回転ファン」３から構成される。また、「ＬＥＤ用ラジエータ」は「放熱ステージ」１１と、「櫛形放熱フィン」１２と、「ヒートパイプ」１３と、「多層放熱フィン」１４とから構成される。以下、実施形態１との相違点である「回転ファン」について説明する。

「回転ファン」は、櫛形放熱フィンと多層放熱フィンのそれぞれのフィンの間隙に空気を流通させる。回転ファンは、櫛形放熱フィン及び多層放熱フィンの横側側面に配置して、櫛形放熱フィンの隙間や多層放熱フィンの各層の間隔に空気が流れやすくする。各フィンの表面付近の空気は放熱により温められているが、回転ファンにより水平方向の空気の流れを作り出すことで、温かい空気を追い出すことが可能になる。

なお、ＬＥＤラジエータの周りにラジエータカバーを配置する場合は、回転ファンにより形成される空気の流れが妨げられないように、上流と下流に当たる箇所に重点的に穴を設けておくことが好ましい。

<効果>
本実施形態のＬＥＤ照明装置は、実施形態１の効果に加えて、各フィンにより温められた空気が滞留することを抑制することが可能になり、さらに高い放熱効果を実現することができる。

実施例として、「ＬＥＤ構造体」１と、「ＬＥＤ用ラジエータ」２と、「回転ファン」３と、「ランプカバー」２１と、「ラジエータカバー」２２と、「電力供給部」２３と、から構成される「ＬＥＤ照明装置」１００を挙げる。ここで、「ＬＥＤ用ラジエータ」は「放熱ステージ」１１と、「櫛形放熱フィン」１２と、「ヒートパイプ」１３と、「多層放熱フィン」１４とから構成される。また、図１３、図１４で図示したように、ヒートパイプは、放熱ステージ及び櫛形放熱フィンの土台部位から多層放熱フィンを貫通するように天井側に伸びている。また、ＬＥＤ構造体は、２５０Ｗの電力を消費するものを用いている。また、ランプカバー、ラジエータカバー、電力供給部の配置構成・形状は、図１２に示したものとなっている。当該構成を備えたＬＥＤ照明装置にて２５０ＷのＬＥＤ構造体を点灯させた場合、ＬＥＤの温度上昇は最大で６℃程度であった。

１００…ＬＥＤ照明装置、１…ＬＥＤ構造体、２…ＬＥＤ用ラジエータ、３…回転ファン、１１…放熱ステージ、１２…櫛形放熱フィン、１３…ヒートパイプ、１４…多層放熱フィン、２１…ランプカバー、２２…ラジエータカバー、２３…電力供給部、２４…つりさげ部、３１…ＬＥＤ、３２…通電用銅箔パターン、３３…絶縁層、３４…アルミニウム基板、４１…土台部位、４２…突出部位

Claims (5)

1. ＬＥＤ構造体と、ＬＥＤ構造体で発生する熱を放熱するＬＥＤ用ラジエータと、
   からなるＬＥＤ照明装置であって、
   ＬＥＤ用ラジエータは、
   ＬＥＤ構造体の発光面の反対側の面と接する放熱ステージと、
   放熱ステージに直接配置される櫛形放熱フィンと、
   放熱ステージの熱を伝導し、天井側に伸びるヒートパイプと、
   ヒートパイプの熱を放熱するために櫛形放熱フィンより天井側に配置される多層放熱フィンと、
   からなるＬＥＤ照明装置。
2. 櫛形放熱フィンは、多層放熱フィンのもっとも下側のフィンの下面に垂設されている請求項１に記載のＬＥＤ照明装置。
3. 櫛形放熱フィンと多層放熱フィンのそれぞれのフィンの間隙に空気を流通させるための一の回転ファンをさらに有する請求項１又は２に記載のＬＥＤ照明装置。
4. 前記ヒートパイプに代えて、放熱ステージの熱を伝導し、天井側に伸びる水冷用チューブを有し、
   前記多層放熱フィンは、水冷用チューブの熱を放熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載のＬＥＤ照明装置。
5. 前記水冷用チューブに流れる液体を循環させる循環ポンプをさらに有する請求項４に記載のＬＥＤ照明装置。

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