JP2008243780A - ヒートパイプのある熱放散モジュールを組み込まれる高出力ｌｅｄ照明組品 - Google Patents

Abstract

【課題】高出力発光ダイオード（LED）照明組品を提供する。
【解決手段】熱放散モジュールが組み込まれる高出力発光ダイオード（LED）照明組品が提供される。LED照明組品には、熱交換基部、少なくとも1つのLEDアレイ、少なくとも１つのヒートパイプおよび熱放散モジュールが含まれる。熱交換基部には、LEDアレイの取り付けのための少なくとも1つのLED配列面およびヒートパイプの挿入のための少なくとも1つの中空部が含まれる。LEDアレイは、LED配列面に所定の投影角度で配置される。ヒートパイプには、加熱部、冷却部および伝導部が含まれ、作動流体が入っている。熱交換基部は加熱部に取り付けられ、熱放散モジュールは冷却部に取り付けられる。LEDによって発生される熱エネルギーは、熱交換基部からヒートパイプの加熱部に伝導され、それによってヒートパイプの動作流体を加熱および蒸発させ、熱放散モジュールで、伝導部から冷却部へと放散のため流れる。
【選択図】図２

Description

本発明は、LED照明組品から効果的に熱を放散させることができるヒートパイプを使用する熱放散モジュールが組み込まれた発光ダイオード（LFD）照明組品、特に高出力LED照明組品のための設計に関するものである。

京都地球気候会議の決定に従って、多くの国々が、2008年から2012年の間に温室効果ガス排出を1990年のレベルに対し6%削減しなくてはならない。生活を基にしたエネルギーの20%以上の割合を占める照明用途の電力消費のために、省エネ照明技術の開発がさらに重要となっている。

照明効果を生み出す電子をシミュレートするために外部電圧をかけることによって光を放つ光電子工学の半導体構成部分である発光ダイオード（LED）は、低消費電力および高耐用性という利点を提供し、その結果、関連技術の世界中に及ぶ研究および開発を促している。現在のところ実用化は、一般的に低消費電力の表示ランプに限られているが、近年高出力LED 技術の積極的な開発がある。照明のワット数は、徐々に改善されており、照明用の従来の白熱電球に取って代わるその可能性を示している。なお、LEDの照明効果は、ワット当たり80ルーメンを越えることがすぐに期待され、それは従来の白熱タングステン電球の照明効果の約6倍である。照明装置のために十分な光束を提供するために、現在の設計には、野外のディスプレイから照明までの広範囲の応用においてぎっしり詰め込まれた何千ものLEDランプのある配列されるLEDの組品が含まれる。

しかしながら、高出力LEDの進歩とともに、高出力LEDによって発生される熱もまた増加し、LEDからの熱の放散は重大な問題となっている。動作中、LEDランプの照明は、高出力LED上の光を放つ範囲に、高温の熱い箇所を発生させ、現在のところ何の解決法も提供されていない。この問題は、LEDランプの開発および応用を制限している。熱い箇所の熱放散が少ない結果、LEDランプの過熱が起こる。接合部温度が120℃を超えるとき、その高温はLEDランプに損傷を与え、結局LEDの能力を低め、耐用年数を短くし、焼損の危険の原因にさえなる。よって、LEDの応用を促進するために、熱放散は効果的に処理されなくてはならない。

したがって、照明装置の性能、耐用年数および信頼性を高めるために、高出力のLED装置およびLED装置から効果的に熱を放散する手段を開発することが望まれる。

本発明の主要な目的は、光を発するための複数のLEDアレイを備える高出力LED照明組品を提供することである。LED照明組品は、低消費電力で十分な照明を提供し、従来の白熱電球および蛍光光源に取って代わることができる。

本発明の別の目的は、熱を放散するための熱放散モジュールを提供することである。熱放散モジュールは、熱を効果的に放散するために熱放散モジュールに取り付けられているヒートパイプの加熱部から冷却区域に熱を伝導するための少なくとも1つのヒートパイプを備えている。

本発明のさらなる目的は、LED照明組品に組み込むための熱放散モジュールを提供することである。熱放散モジュールは、LEDから外部に熱を効果的に取り除き、LED照明組品を適切な動作温度に維持することが可能である。熱放散モジュールを配置することで、熱放散モジュールのどんな箇所の過熱も除去し、熱放散モジュールの照明安定性を維持することができる。

上記の目的を実現するために、本発明は、LED照明組品に組み込むための熱放散モジュールが組み込まれた高出力LED照明組品を提供する。LED照明組品は、熱交換基部、少なくとも1つのLEDアレイ、少なくとも1つのヒートパイプおよび熱放散モジュールを備えている。熱交換器部は、LEDアレイの取り付けのための少なくとも1つのLED配列面およびヒートパイプの挿入のための少なくとも1つの中空部を備えている。LEDアレイは、LED配列面に所定の投影角度で配置される。ヒートパイプは、加熱部、冷却部および伝導部を備え、動作流体を含んでいる。熱交換基部は、加熱部に取り付けられ、熱放散モジュールは冷却部に取り付けられる。 LEDによって発生される熱エネルギーは、熱交換基部からヒートパイプの加熱部に伝導され、それによってヒートパイプ内の動作流体が熱せられ蒸発され、熱放散モジュールでの放散のために伝導部から冷却部へと流れる。

本発明は、以下の添付図面に関して、その好適な実施様態の次に述べる説明を読むことによって、当業者には明白であろう。

図面、特に図1から3に関して、通例参照番号100で指定される、本発明に従って構成される熱放散モジュールを組み込まれた高出力LED照明組品の第一の実施様態が示される。本発明の高出力LED照明組品100は、熱交換基部1、複数のLEDアレイ2、ヒートパイプ3、熱放散モジュール4およびランプシェード5を備えている。ランプシェード5は、熱交換基部1、LEDアレイ2、ヒートパイプ3および熱放散モジュール4を覆い、構成部分の保守整備のために取り外すことが可能である。熱交換基部1は、LED照明組品100の下部に配置され、熱放散モジュール4は、LED照明組品100の上部に配置される。

図4から8を参照してください。図4および5は、ランプシェードを取り外したあとの高出力照明組品の分解概略図を示している。図6は、LED照明組品の熱交換基部の頂面図である。図8および9は、LED照明組品の側面図を示している。図のように、熱交換基部1は、複数のLED配列面11、中央の中空部12、複数の熱応力圧搾構造14および内側面15を備えるほぼ立方形である。

LED配列面11は、空間の範囲を限定する最上部の開口部と底部の開口部があり熱交換基部1の外面に置かれる。中空部12は、熱交換基部1の中央部に配置される。熱応力圧搾構造14は、貫通孔141およびその貫通孔に接続する経路142を備えている。経路142は、中央の中空部12に通じている。LEDに電力を供給するための電線は、熱応力圧搾構造14の経路142に配置される。

LED配列面11のそれぞれは、LEDアレイ2が備え付けられている。LEDアレイ2は、所定のパターンで配置される複数のLED21および回路基板22を備えている。回路基板22は、LEDの底部および回路基板の底部が、LEDと熱交換基部1のLED配列面11の間が密接に接触するための継続的な平面を形成するように、LED21がはめ込まれる開き口221が開けられている。LED配列面11は、LED間およびLEDとLED配列面11の間の連結部を同じ高さにするために、熱伝導媒体の層でコーティングされ、構成部分間の熱抵抗を減らす。熱交換基部1は、LED21 によって発生される熱エネルギーの急速な吸収、伝導および放散を可能にする熱吸収材でできている。なおその上、LEDアレイ2は、交換可能であり、異なるモデルの高ワットかつ高出力LEDの交換が可能である。

ヒートパイプ3は、加熱部31、冷却部32および加熱部31と冷却部32を結ぶ伝導部33を備えている。ヒートパイプ3には、動作流体が含まれ、通例円筒形である。加熱部31は、熱交換基部の中央の中空部に挿入され、一方伝導部33は熱交換基部1の最上部の開口部から外側に伸びる。ヒートパイプ3の冷却部32は、熱放散モジュール4の中央の中空部に挿入される。

LED照明組品100の動作中、熱交換基部1およびヒートパイプ3の温度は次第に増加する。温度の上昇は、熱交換基部1およびヒートパイプ3の膨張を引き起こす。熱交換基部1およびヒートパイプ3が異なる膨張度であるため、熱交換基部1の内側面15とヒートパイプ3の外面の間の境界に熱応力を発生させ、それは熱交換基部1の内側面15とヒートパイプの密着性を高める。熱応力は、温度が上昇するにつれて増加する。熱交換基部１の熱応力圧搾構造14に作用する熱応力は、熱交換基部1をヒートパイプ3に固定させ、したがって熱交換基部1とヒートパイプ3の間の熱抵抗を下げ、それらの間の熱エネルギーの状態を一層良くする。

LEDアレイ2のLED 21が電気を動力源として明るくなるとき、発生された熱エネルギーは、熱交換基部1を通り、ヒートパイプ3の加熱部31へと伝導される。加熱部31の作動流体は加熱され、蒸発される。圧力差は、冷却部32の蒸気と加熱部31の作動流体との間に発生される。その圧力差は、その蒸気が伝導部から冷却部32に流れるのを促進し、そこから熱を除去するのを助ける。

ヒートパイプ3の冷却部32へ流される蒸気は、冷却部32に取り付けられる熱放散モジュール４に伝導され、それによって吸収される熱を運ぶ。熱放散モジュール4は、熱放散モジュール4の中空部から放射状に広げられる複数のフィンを備えている。そのフィンは、熱の放散のために広い表面積を提供する。それによって、熱放散モジュール4は、蒸発した作動流体によって運ばれる熱エネルギーを吸収し、フィンによって熱を放散する。その結果、過熱され蒸発した作動流体は、冷され、液体形態に濃縮される。ヒートパイプ3の構造を用いて、濃縮された作動流体は、毛管作用によって、加熱部31に還流する。作動流体の蒸発および濃縮によって、熱エネルギーは、繰り返しかつ急速に外部へ放散される。

ランプシェード5は熱交換基部1、LEDアレイ2、ヒートパイプ3および熱放散モジュール4を覆う。ランプシェード5は、熱放散モジュール4の周りの加熱された空気が対流によって交換できるように、熱放散モジュール4の近くに位置する複数の縦の熱放散通気孔51を備える。

ランプシェード5は、熱放散モジュール4に連結される。ランプシェード5と熱放散モジュール4との間の連結部は、粘性液体、直接付着を可能にする粘着性パッドでもよい熱伝導材料、凝固可能材料または熱エネルギーの伝導を容易にするその他の媒体でコーティングされる。なおその上、ランプシェード5は、LED配列面4から所定の距離に遠ざけて置かれ、対流および熱移動を強めるために追加的にファンを備えてもよい。また、ランプシェード5の外部表面は、そこから熱を放射するために、高放射物質の層でコーティング、付着または接着されてもよい。

さらに、熱交換基部1は、LED配列面11の2面から所定の長さへ外側に突き出る複数の照明補助構造13を備えている。光源補助構造13は、LEDアレイ2のLED 21によって発生される光源に焦点を合わせ、分散させるのを助ける。説明される実施様態において、LED 21の底部は、LED配列面11にぴったりと付着され、一方LED配列面11は、ヒートパイプ3に対して平行である。LED 21によって生じる光は、ヒートパイプ3に直角に、周囲に投影される。あるいは、LED 21のブラケットを曲げることによって、またはLED配列面11に回路基板22を斜めに挿入することによって、LED21によって発生された光が、交換基部1の斜め上方または下方の範囲に向かいあらゆる方向に投影するように、LED21は熱交換基部1のLED配列面11上に特定の角度で配置されることができる。使用されるLEDアレイ2の数は、輝度要件に応じて変えることができる。十分な数のLEDのある1つだけのアレイが使用されることも理解できる。

図9は、本発明に従って構成された熱放散モジュールを組み込まれた高出力LED照明組品の、ランプシェードを取り外した後の第二の実施様態の概略図である。図10は、図9の高出力LED照明組品の部分分解概略図である。図11および12は、図9のLED照明組品の側面図を示している。

第二の実施様態は、熱交換基部1が、熱交換基部1の選ばれた位置に配置される複数の外縁を構成する中空部12を備え、同時に前記熱交換基部1の最上部および最下部を通っているという点において第一の実施様態とは異なる。それぞれの外縁を構成する中空部12は、ヒートパイプ3が挿入される。すなわち、外縁を構成するヒートパイプ3は、熱交換基部1の中央の中空部12の周りに環状に配置され、それぞれの外縁を構成する中空部12は、LED配列面11の1つに隣接いており、LEDアレイ2のLED21によって発生される熱エネルギーが、熱交換基部1を通してヒートパイプ3の過熱部31に伝導されることができる。

本発明は、ヒートパイプ3の形が管状、長方形、あるいは板状またはその他の種類の形もありうる熱放散モジュールが組み込まれた高出力LED 照明組品を提供する本発明の好適な実施様態に関して説明されてきた。ヒートパイプの寸法は、必要条件に応じて異なってもよく、熱伝導材料でできている。熱放散モジュールは、どのような特定の形状および形態、例えば十字型、円筒型、フィン型などでもよく、アルミニウム押出し材、ダイカスト、鋳型注入または機械加工により作られてもよい。

ヒートパイプおよびフィンは、構造が単純、取り付けが簡単かつ製造費用がかからない。これによって、本発明の構造は、変えることができ、本発明の用途は広い。熱放散モジュールは、さまざまな分野で応用することができ、室内照明、街灯および高出力LED装置など、多くの装置に組み込むことができる。

本発明が、現在最も実用的で、好適な実施様態であるとみなされているものに関連して説明されてきたが、本発明が開示される実施様態に限定されておらず、それに反して、添付の請求の精神と範囲内に含まれる色々な修正および同等の装置を包含することを目的としていることは、理解することができる。

本発明に従って構成された熱放散モジュールを組み込まれた高出力LED照明組品の第一の実施様態の概略図である。 図1のLED照明組品の構成部分を示す側面斜視図である。 図3は、ランプシェードを取り外した後の図1のLED照明組品の概略図である。 図4は、図3のLED照明組品のLEDアレイの配置を示す部分分解概略図である。 図5は、図3のLED照明組品の分解概略図である。 図6は、LED照明組品の熱交換基部の頂面図である。 図7は、図3のLED照明組品の概略側面図である。 図8は、図7の線8-8に沿って作成されたLED照明組品の断面図である。 本発明に従って構成された熱放散モジュールを組み込まれた高出力LED照明組品の、ランプシェードを取り外した後の第二の実施様態の概略図である。 図9の高出力LED照明組品の部分分解概略図である。 図9の高出力LED照明組品の概略側面図である。 図12は、図11の線12-12に沿って作成されたLED照明組品の断面図である。

符号の説明

１ 熱交換基部
２ LEDアレイ
３ ヒートパイプ
４ 熱放散モジュール
５ ランプシェード
１１ LED配列面
１２ 中空部
１３ 照明補助構造
１４ 熱応力圧搾構造
１５ 内側面
２１ LED
２２ 回路基板
３１ 過熱部
３２ 冷却部
３３ 伝導部
５１ 熱放散通気孔
１００ 高出力LED照明組品
１４１ 貫通孔
１４２ 経路
２２１ 開き口

Claims (7)

1. 熱交換基部の外面に位置する少なくとも1つのLED配列面および少なくとも1つの中央の中空部を備える熱交換基部、それぞれのLEDが熱交換基部のLED配列面に所定の投影角度で置かれる複数のLEDを備える少なくとも1つのLEDアレイ、加熱部、冷却部および加熱部を冷却部に接続する伝導部を備え、加熱部が熱交換基部の中央の中空部に挿入され、接続路が熱交換基部から伸びる動作流体を含む少なくとも1つのヒートパイプ、ならびにヒートパイプの冷却部に配置される熱放散モジュールを備えるLED照明組品において、LEDによって発生された熱エネルギーが熱交換基部からヒートパイプの加熱部に伝えられるとき、ヒートパイプの動作流体が熱せられ、伝導部から冷却部に流れ、熱エネルギーを放散するために冷却部で熱放散モジュールに熱を伝導することを特徴とするLED照明組品。
2. LED照明組品がさらに、ヒートパイプを覆うランプシェード、熱交換基部、LEDアレイおよび熱放散モジュールを備え、そのランプシェードには、熱放散モジュールの周りの熱せられた空気が対流によって放散できるように、熱放散モジュールの近くに位置する複数の放散通気孔があることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。
3. 熱交換基部が、LED配列面の2面から所定の長さまで外側に突き出し、LEDアレイのLEDによって発生される光の焦点を合わせたり、分散させたりするのを助ける少なくとも1つの照明補助構造を備えることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。
4. 中空部には、ヒートパイプの挿入のための内部空間を定め、内側面を持つ上面の開口部と底部の開口部があり、熱交換基部はさらに、貫通孔および中空部と連通する接続路があり、熱交換基部で選ばれた位置に配置される、少なくとも1つの熱応力圧搾構造を備えており、動作中、LEDから発生される熱が、熱応力圧搾構造に熱応力作用を引き起こし、熱交換基部をヒートパイプに押し付け、熱交換基部とヒートパイプ間の熱抵抗を減らし、電線がLEDに電力を供給するために接続路に配置されることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。
5. LED照明組品が、ヒートパイプの挿入のために熱交換基部の特定の場所に配置される複数の外縁を構成する中空部を備え、LEDアレイのLEDによって発生される熱エネルギーの熱交換基部からヒートパイプの加熱部への伝導を容易にするために、各外縁を構成する中空部がLED配列面のそれぞれに隣り合って位置していることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。
6. LED配列面がヒートパイプに対して平行であり、LEDによって生じられる光をヒートパイプに対して直角に周囲に投影できるように、LEDの底部がLED配列面にぴったりと密着していることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。
7. LEDの底部および回路基板の底部が、LEDとLED配列面間の密接な接触のために継続的な平面を形成するように、LEDアレイが、LEDがはめ込まれる開き口のある少なくとも1つの回路基板を備えることを特徴とする請求項1記載のLED照明組品。