JP2006319103A - 発光ダイオードの冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードチップを効率よく冷却し、発光ダイオードチップの光出力を安定化し、発光効率の低下を防止する。
【解決手段】発光ダイオードの冷却装置である。発光ダイオードチップ１７の周囲に冷却液の流路が形成されたパッケージ１１と、パッケージに接続され冷却液１９をパッケージ１１外に環流させる環流路と、冷却液を環流路に沿って流動させるポンプ２１と、環流路を流動する冷却液１９を冷却する熱交換器２２とを備えるので、通電されることにより高温になる発光ダイオードチップ１７を冷却液１９により冷却し、温度上昇した冷却液１９をポンプ２１により環流路に環流させ、熱交換器２２により冷却することで、発光ダイオードチップ１７を効率よく冷却することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオードの冷却装置に関する。

従来の照明装置等の光源として用いられる発光ダイオード（ＬＥＤ）では、高密度実装に伴い、発熱量が増大している。発熱によりＬＥＤが高温になると、ＬＥＤ自身や電極等が破壊される恐れがあるため、これを防ぐために効率的な放熱手段が必要となる。

ＬＥＤの発熱を効率的に放熱する手段として、ヒートシンク（放熱板）を用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。これは、例えば図６に示すように、発光ダイオードチップ４７を形成した基板４６を収納したパッケージ４１の裏面に放熱板４３を密着させたものである。発光ダイオードチップで発生した熱は基板４６、パッケージ４１を介して放熱板４３に伝導し、放熱板４３を空冷することで空気中に放出される。
また、放熱板を強制冷却するために、放熱板に空冷ファンを一体に設けたものや、放熱板内に冷媒を循環させるものもある。
特開２００３−１０４０８６号公報

しかし、上記の方法では、発光ダイオードチップで発生した熱を基板、パッケージを介して放熱板に伝導させるため、冷却効率が基板やパッケージの熱伝導率に制約される。冷却効率が悪いと発光ダイオードチップが高温になり、光出力が不安定になったり発光効率が低下したりするという問題があった。

本発明の課題は、発光ダイオードチップを効率よく冷却することで、発光ダイオードチップの光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、例えば図１に示すように、発光ダイオードの冷却装置であって、内部に発光ダイオードチップ（１７）が収納されるとともに、前記発光ダイオードチップの周囲に冷却液（１９）の流路が形成されたパッケージ（１１）と、前記パッケージに接続され前記冷却液を前記パッケージ外に環流させる環流路と、前記環流路に沿って前記冷却液を流動させるポンプ（マイクロポンプ２１）と、前記環流路を流動する前記冷却液を冷却する熱交換器（２２）とを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、発光ダイオードチップの周囲に冷却液の流路が形成されたパッケージと、パッケージに接続され冷却液をパッケージ外に環流させる環流路と、冷却液を環流路に沿って流動させるポンプと、環流路を流動する冷却液を冷却する熱交換器とを備えるので、通電されることにより高温になる発光ダイオードチップを冷却液により冷却し、温度上昇した冷却液をポンプにより環流路に環流させ、熱交換器により冷却することで、発光ダイオードチップを効率よく冷却することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発光ダイオードの冷却装置において、例えば図３に示すように、前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面に前記環流路を接続したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、パッケージの発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面に環流路を接続したので、複数のパッケージの発光面を並べて実装する場合に環流路との接続部がじゃまにならず、隣接するパッケージとの隙間をなくしてＬＥＤの実装密度を高めることができる。

請求項３に記載の発明は、発光ダイオードの冷却装置であって、例えば図４に示すように、内部に発光ダイオードチップ（１７）が収納されたパッケージ（１１）と、一端が前記パッケージに接続され、内部に冷媒が封入されたヒートパイプ（３１）と、前記ヒートパイプの他端が接続され前記冷媒を冷却する熱交換器（放熱板３３）とからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明によれば、パッケージと放熱板とに両端を接続されたヒートパイプ内の冷媒により、パッケージ内の発光ダイオードチップで発生した熱を吸収し、冷媒が吸収した熱を熱交換器まで運んで放熱するため、効率よく放熱することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発光ダイオードの冷却装置において、例えば図５に示すように、前記パッケージ内の前記発光ダイオードチップの周囲に前記冷媒（３６）の流路を形成したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明によれば、パッケージ内の発光ダイオードチップの周囲にヒートパイプ内の冷媒の流路を形成したので、冷媒が発光ダイオードチップに直接接触するため、発光ダイオードチップをさらに効率よく冷却することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の発光ダイオードの冷却装置において、前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が放出される面と反対側の面に前記ヒートパイプを接続したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明によれば、パッケージの発光ダイオードチップからの発光が外部に放出される面と反対側の面にヒートパイプを接続したので、複数のパッケージの発光面を並べて実装する場合にヒートパイプとの接続部がじゃまにならず、隣接するパッケージとの隙間をなくしてＬＥＤの実装密度を高めることができる。

本発明によれば、発光ダイオードチップを効率よく冷却することで、発光ダイオードチップの光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードの冷却装置の全体構造を示す横断面模式図である。発光ダイオードの冷却装置は、ＬＥＤ１０と冷却部２０とから構成される。

ＬＥＤ１０は、パッケージ１１と、カバーガラス１５と、基板１６と、発光ダイオードチップ１７と、電源端子１８ａ，１８ｂとから構成されている。パッケージ１１は上部に開口を有し、開口はカバーガラス１５により閉塞されている。このカバーガラス１５の表面がＬＥＤ１０の発光面となる。すなわち、カバーガラス１５に閉塞された開口部から発光ダイオードチップ１７の発光が放出される。

カバーガラス１５により閉塞されたパッケージ１１の内部空間１２には、基板１６、発光ダイオードチップ１７が収納されるとともに、冷却液１９が封入されている。冷却液１９としては、発光ダイオードチップ１７から放出される波長の光透過性が高く、熱伝導性が高く、かつ電気伝導性が充分低いものが好ましい。このような冷却液１９としては、例えばフッ素系オイルやシリコン系オイル等を用いることができる。

カバーガラス１５と対向するパッケージ１１の底部には、パッケージ１１を貫通してパッケージ１１の裏面に突出した電源端子１８ａ，１８ｂが設けられている。電源端子１８ａ，１８ｂのパッケージ１１内側の端部は基板１６を介して発光ダイオードチップ１７に接続されている。電源端子１８ａ，１８ｂは図示しない外部電源に接続される。

パッケージ１１の側面には、パッケージ１１内に満たされた冷却液１９を冷却部２０に環流させるための孔１３ａ，１３ｂが設けられており、孔１３ａ，１３ｂには後述する液輸送チューブ２４ａ，２４ｂに接続される継手１４ａ，１４ｂが設けられている。内部空間１２及び孔１３ａ，１３ｂは、冷却液１９を外部の冷却部２０に環流させるための流路となる。

基板１６は図示しないスペーサ等によりパッケージ１１の底部と間隔を空けてパッケージ１１内に固定されている。基板１６とパッケージ１１の底部との間隔を空けることで、冷却液１９が基板１６の裏面にも接触し、効率的に基板１６を冷却することができる。
基板１６の表面には発光ダイオードチップ１７が設けられており、基板１６の裏面には発光ダイオードチップ１７に電力を供給する電源端子１８ａ，１８ｂが接続されている。発光ダイオードチップ１７はカバーグラスと対向配置されており、発光ダイオードチップ１７の発光はカバーガラス１５を通過して外部へ放出される。

冷却部２０は、マイクロポンプ２１と、熱交換器２２と、両者を接続する配管２３と、液輸送チューブ２４ａ，２４ｂと、回転ファン２５とから構成される。
マイクロポンプ２１は、液輸送チューブ２４ａを介してパッケージ１１の一方の継手１４ａと接続されている。また、熱交換器２２は、液輸送チューブ２４ｂを介してパッケージ１１の他方の継手１４ｂと接続されている。そして、マイクロポンプ２１と熱交換器２２とが配管２３により接続され、熱交換器２２とパッケージ１１との間で冷却液１９の環流路が形成されている。マイクロポンプ２１は熱交換器２２とパッケージ１１との間で冷却液１９を循環させるポンプであり、環流路を流れる冷却液１９の単位時間当たりの流量を定める。

熱交換器２２は、内部を冷却液１９が流れる冷却管（図示せず）を備える。冷却管は液輸送チューブ２４ａ，２４ｂ、マイクロポンプ２１、配管２３及びパッケージ１１とともに、冷却液１９の環流路を形成する。冷却管の外周部には図示しない放熱板が設けられ、冷却液１９の熱は冷却管を介して放熱板に伝導する。放熱板は回転ファン２５により起こされた風を受けて強制空冷される。

次に、冷却部２０によるＬＥＤ１０の冷却について説明する。まず、発光ダイオードチップ１７に通電して発光させると、発光ダイオードチップ１７より熱が発生する。ここで、マイクロポンプ２１を駆動すると、発光ダイオードチップ１７及び基板１６から環流路を流れる冷却液１９に熱が伝導し、発光ダイオードチップ１７及び基板１６が冷却される。温度が上昇した冷却液１９は熱交換器２２において冷却される。

上記のような冷却部２０を用いれば、効率的に発光ダイオードチップ１７を冷却することができ、発光ダイオードチップ１７の光出力を安定化し、発光効率の低下を防止することができる。

なお、環流路の任意の場所に冷却液１９の温度を測定する温度計を設け、冷却液１９の温度によりマイクロポンプ２１の運転を調節して冷却液１９の流速を変化させてもよい。

また、回転ファン２５を用いずに放熱板を自然空冷してもよい。また、ＬＥＤ１０パッケージ１１内を流れる一次冷却液１９を冷却する二次冷却液１９の環流路及び放熱板を熱交換器２２に設け、二次冷却液１９により一次冷却液１９を冷却してもよい。あるいは、発光ダイオードチップ１７の発熱量や冷却液１９の温度に応じて、自然空冷、強制空冷、二次冷却液１９による冷却のいずれかを選択もしくは併用できるようにしてもよい。

＜変形例１＞
図２は第１の実施の形態のＬＥＤ１０の変形例１である。変形例１では、図２に示すように、発光ダイオードチップ１７が設けられた基板１６をパッケージ１１の底部と一体に設けられている。このように、基板１６をパッケージ１１の底部と一体に設けることで、発光ダイオードチップ１７の上面のみを冷却液１９により冷却するようにしてもよい。

＜変形例２＞
図３は第１の実施の形態のＬＥＤ１０の変形例２である。変形例２では、図３に示すように、発光ダイオードチップ１７が設けられた基板１６をパッケージ１１の底部と一体に設けられている。また、パッケージ１１内に満たされた冷却液１９を冷却部２０に環流させるための孔１３ａ，１３ｂがパッケージ１１の底部に設けられており、液輸送チューブ２４ａ，２４ｂに接続される継手１４ａ，１４ｂが、孔１３ａ，１３ｂの外周部からパッケージ１１の裏面に突設されている。このため、パッケージ１１の側面には突出するものが何もない状態になっている。

このように、パッケージ１１の底部に孔１３ａ，１３ｂ及び継手１４ａ，１４ｂを設けることで、複数のＬＥＤ１０を並べて実装する場合に隣接するＬＥＤ１０との隙間をなくすことができ、実装密度を高めることができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係るＬＥＤ１０及び冷却部２０の全体構造を示す模式図である。
本実施の形態の冷却部２０は、ヒートパイプ３１、及び、熱交換器（図示せず）の放熱板３３からなる。なお、本実施の形態においては、発光ダイオードチップ１７を有する基板１６がＬＥＤ１０のパッケージ１１の底部と一体に設けられている。また、パッケージ１１の底部には、基板１６を冷却するヒートパイプ３１が一体に設けられている。

ヒートパイプ３１は、一端がパッケージ１１に接続され、基板１６により閉塞されている。ヒートパイプ３１内の冷媒３２はヒートパイプ３１のパッケージ１１に接続された一端において基板１６の発光ダイオードチップ１７が設けられた部分の裏面と接触している。また、他端は熱交換器２２（図示せず）の内部の放熱板３３に接続されている。ヒートパイプ３１は、例えば金属等の熱伝導性が高い素材からなる密閉容器であり、内部に少量の冷媒３２が真空封入されている。ここで冷媒３２としては、代替フロンや純水等を用いることができる。

ヒートパイプ３１の内壁面には、ウィックと呼ばれる網目状の構造が設けられている。ウィックは毛細管現象を利用して冷媒３２のヒートパイプ３１内での熱源への還流の移動速度を向上させている。

ここで、ヒートパイプ３１によるＬＥＤ１０の冷却動作について説明する。液体の冷媒３２は、ヒートパイプ３１のパッケージ１１に接続された一端において、通電された発光ダイオードチップ１７から発生した熱を基板１６を介して吸収し、蒸発する。気化した冷媒３２はヒートパイプ３１内を移動し、ヒートパイプ３１の放熱板３３に接続された一端において凝縮する。

ヒートパイプ３１の放熱板３３に接続された一端では、気体の冷媒３２が凝縮する際の凝縮熱が発生する。凝縮熱は放熱板３３により吸収され、空気中に放出される。液化した冷媒３２は、ウィックに沿ってヒートパイプ３１内を移動し、パッケージ１１に接続された一端において再び気化する。これを繰り返すことで、ＬＥＤ１０の放熱を効率よく行うことができる。
また、本実施の形態では、第１の実施の形態のマイクロポンプ２１のような動力が不要であり、冷却に必要なエネルギーを低減することができる。

なお、図５に示すように、パッケージ１１及び基板１６を貫通する複数の孔３４ａ，３４ｂを設け、孔３４ａ，３４ｂとヒートパイプ３１とを接続し、パッケージ１１の内部空間１２及びヒートパイプ３１内に冷媒３６を封入してもよい。このような冷媒３６としては、発光ダイオードチップ１７から放出される波長の光透過性が高く、熱伝導性が高く、かつ電気伝導性が充分低いものが好ましい。

このような形状のパッケージ１１を用いた場合には、内部空間１２及び孔３４ａ，３４ｂがヒートパイプ３１内の冷媒３６の流路となり、流路を流れる冷媒３６が発光ダイオードチップ１７と直接接触するので、発光ダイオードチップ１７から冷媒３６に熱が直接伝導し、冷却効率をさらに高めることができる。

なお、以上の実施の形態においては、発光ダイオードについて説明したが、本発明はこれに限らず、レーザーダイオードに本発明を適用してもよい。その他、具体的な細部構造についても適宜変更可能であることはもちろんである。

本発明の第１の実施の形態に係る発光ダイオードの冷却装置を示す模式図である。 第１の実施の形態の変形例１を示す模式図である。 第１の実施の形態の変形例２を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係る発光ダイオードの冷却装置を示す模式図である。 第２の実施の形態の変形例を示す模式図である。 従来の発光ダイオードの冷却装置を示す模式図である。

符号の説明

１１ パッケージ
１７ 発光ダイオードチップ
１９ 冷却液
２１ マイクロポンプ
２２ 熱交換器
３１ ヒートパイプ
３２，３６ 冷媒
３３ 放熱板

Claims (5)

1. 内部に発光ダイオードチップが収納されるとともに、前記発光ダイオードチップの周囲に冷却液の流路が形成されたパッケージと、
   前記パッケージに接続され前記冷却液を前記パッケージ外に環流させる環流路と、
   前記環流路に沿って前記冷却液を流動させるポンプと、
   前記環流路を流動する前記冷却液を冷却する熱交換器とを備えることを特徴とする発光ダイオードの冷却装置。
2. 前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が放出される面と反対側の面に前記環流路を接続したことを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの冷却装置。
3. 内部に発光ダイオードチップが収納されたパッケージと、
   一端が前記パッケージに接続され、内部に冷媒が封入されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプの他端が接続され前記冷媒を冷却する熱交換器とからなることを特徴とする発光ダイオードの冷却装置。
4. 前記パッケージ内の前記発光ダイオードチップの周囲に前記冷媒の流路を形成したことを特徴とする請求項３に記載の発光ダイオードの冷却装置。
5. 前記パッケージの前記発光ダイオードチップからの発光が放出される面と反対側の面に前記ヒートパイプを接続したことを特徴とする請求項３または４に記載の発光ダイオードの冷却装置。

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