JP2009545106A - ほぼ同じ熱伝搬方向及び光伝搬方向を持つ照明モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
それ故、光学系の性能について必要以上に妥協することなしに、過剰な熱の、固体照明モジュールの性能に対する不所望な影響を克服する熱管理システムを開発することが望ましい。このような熱管理システムの例は、ヒートパイプである。ヒートパイプは、熱伝導パイプであって、少量の、水などの作動流体を前記熱伝導パイプの中に含む熱伝導パイプである。一般に、ヒートパイプの一方の端部は、熱源、例えばLEDとの熱接触を維持するよう熱源のすぐ近くに配置される。熱源の温度が上昇するにつれて、熱源によって生成される熱エネルギは、ヒートパイプの中の液体を蒸発させる。結果として、熱源からの熱は、蒸発する液体によって吸収され、それによって、熱源から熱を取り除く。蒸発した液体は、熱源から、パイプを通して、一般に凝縮端部(condenser end)と呼ばれるパイプの冷却端部まで遠ざかる。蒸気は、ヒートパイプの凝縮端部において、その元の液体形態へと凝縮し、放熱サイクルが完成させられる。一般に、ヒートパイプの凝縮端部は、放熱の向上のためにヒートシンクに熱的に接続される。多くのヒートパイプ熱管理システムが提案されている。
それ故、発光素子は、単色、準単色、多色又は広帯域のスペクトル放射特性を持ち得る。発光素子の例は、半導体、有機、若しくはポリマ/高分子の発光ダイオード、青色若しくはUV励起蛍光体で被覆された発光ダイオード、光励起ナノ結晶発光ダイオード、又は当業者には容易に理解されるであろうような他の同様な装置を含む。更に、発光素子という用語は、放射線を放射する特定の装置、例えば、LEDチップを定義するために用いられ、同様に、放射線を放射する特定の装置と、ハウジング又はパッケージであって、前記ハウジング又はパッケージ内に1つ又は複数の前記特定の装置が配置されるハウジング又はパッケージの組み合わせを定義するために用いられ得る。
照明モジュールは、1つ以上の熱抽出素子を有し、前記1つ以上の熱抽出素子は、1つ以上の発光素子と熱連通し、熱を1つ以上の発光素子から遠くへ伝達するよう構成される。熱抽出素子は、ヒートパイプ、熱サイフォン、又は或る場所から別の場所へ熱を伝達することが出来る他の受動的な若しくは能動的な熱抽出素子であり得る。
照明モジュールは、1つ以上の熱抽出素子に熱的に結合される1つ以上の発光素子を含む。1つ以上の発光素子は、単色、準単色、多色又は広帯域のスペクトル放射特性を持つ電磁放射線を放射し得る。本発明の一実施例においては、複数の発光素子が、アレイ内に配置されることができ、それによって、アレイは、実質的に単一の色、又は実質的に混ざった色の光を放射する。
照明モジュールは、1つ以上の発光素子によって放射される光を、1つ以上の熱抽出素子による熱伝達の方向とほぼ同じである方向に向け直すよう構成される光学系を更に有する。例えば、照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。発光素子からの出力光は、出力光の抽出、収集、混合及び向き変更(redirection)のうちの1つ以上を供給するよう構成される1つ以上の光学素子を含み得る光学系を経由して照明モジュールの外へ向け直される。
前記面は、出射孔の方へ広がり得る、又は先細りになり得る。例えば、正方形、六角形又は八角形の垂直断面を持つ軸対称光学系は、円形又は三角形の壁部構造より効果的に光を混合し、ランダムにすることが出来る。従って、この形状の二次光学系は、より優れたランダム化を供給することができ、よりコンパクトな寸法を持ち得る。
例1:
ここで、本発明の一実施例による照明モジュールを図示する図2(a)を参照する。照明モジュール202は、複数の発光素子220を冷却するためのヒートパイプ212を含む。ヒートパイプ212は、各々、中間バルク部214を含み、バルク部214の一方の端部216に前記端部216の隣接部を含む凝縮領域を含み、バルク部214の反対側端部に蒸発領域218を含む。ヒートパイプ212のバルク部214は、反射性側壁部を持つ。バルク部214の反射性側壁部はまた、発光素子220からの出力光のビーム成形のための光学素子を形成するために放物線状断面を持つ。バルク部の側壁部の形状は、照明モジュール200のビーム成形要求条件次第で、凹状、楕円形、円形又は他の形状であってもよいことは、当業者には分かるであろう。
図3(a)は、本発明の一実施例による照明モジュール302を図示している。照明モジュール302は、対応する側面取り付け発光素子320と熱連通する接触面318を持つ複数のヒートパイプ312を含む。側面取り付け発光素子の見込まれる利点は、光抽出のためにより少ない反射しか必要とされないことである。発光素子320から発する出力光を照明モジュール302の長手方向軸に沿った方向に曲げるように、発光素子320からの出力光の光路に沿って、光反射器324又は光導体が配置される。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
本発明の一実施例が図4に示されている。照明モジュール400は、ヒートパイプ412と、アレイにグループ化される複数の発光素子420とを含む。発光素子420の各アレイは、発光素子420からヒートパイプ412への熱の伝達のために、各ヒートパイプ412の蒸発端部に取り付けられ、各々のヒートパイプ412に熱的に接続される。照明モジュール400は、出力光の光学特性を操作するために、照明モジュール400の入口及び開口端部に配置されるタンデムレンズアレイ430及び431も含む。
本発明の一実施例が図5に図示されている。図5には、複数の発光素子520であって、動作中の発光素子520の冷却のためにヒートパイプ512の蒸発端部に熱的に結合される複数の発光素子520を持つ照明モジュール500が示されている。レンズ527は、光拡散器526の面において、全発光素子の重複像(overlapping images)を作成することが出来る。レンズ528は、拡散器526の面から焦点距離のところの、照明モジュールの出射面に配置され、実質的に無限遠で、拡散器526の面の像をつくる。拡散器は、レンズ528に隣接して、又は照明モジュール内の任意の他の面内に配置されることも出来る。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
本発明の、図6に関する一実施例によれば、照明モジュール600は、裁頭円錐形一体ヒートパイプ612を有する。照明モジュール600は、熱の抽出及び放散のためにヒートパイプ612と熱連通する複数の発光素子620を更に含む。発光素子620からの出力光の光路に沿って配置される光反射器又は光導体624は、出力光を、照明モジュール600の長手方向軸に対してほぼ平行である経路に沿って、その出射孔の方へ向ける。ヒートパイプ612は、ヒートパイプ612の冷却作用の向上のためにヒートパイプ612と一体化しているヒートシンク構造部615も含む。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。本発明の一実施例においては、内面は、コリメーション及び/又は光の混合などの光学的効果を達成するよう設計される。
図7には、照明モジュール700が、ハウジング(図示せず)内のU字形ヒートパイプ712、及びヒートパイプ712の中央接触面718と熱的接続する複数の発光素子720を持つ本発明の一実施例が示されている。発光素子720からの熱は、ヒートパイプ712によって吸収され、2つ以上の凝縮端部の方へ伝達される。
一実施例においては、ヒートパイプは、アルミニウム、銀又は誘導体などの光反射材料でコーティングされてもよく、又は反射材料723、例えば 3M Vikuity ESRのホイルで内張りされ得る。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
図8は、本発明の一実施例を図示している。図8は、冷却のために複数の発光素子820に熱的に結合されるヒートパイプ812を持つ照明モジュール800を示している。発光素子によって放射される光は、照明モジュールの下部キャビティ825において繰り返し反射を経る、結果として、孔826を通って照明モジュールの上部キャビティ827に行く前に、効果的に混ぜ合わされる。本発明の一実施例においては、孔826は、上部キャビティ827の入射孔領域全体をカバーするよう広げ得る。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
ここで、本発明の一実施例による照明モジュール900を示している図9を参照する。照明モジュール900は、反射面924を持つ、ほぼカップ状のヒートシンク915を含む。ヒートパイプ912であって、各々が、ヒートシンク915に熱的に結合される凝縮端部916、及び複数の発光素子920と熱連通する蒸発端部918を持つ、ヒートパイプ912も設けられる。発光素子920からの熱は、ヒートパイプ912内の相変化媒体によって吸収され、放散のためにヒートシンク915へ伝達される。本発明の一実施例においては、図9は、ほぼ長手方向に伸ばされたU字形の線形照明モジュールの断面図を示し得る。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
図10及び11は、本発明の一実施例による、照明モジュール1100であって、照明モジュールの側壁部を形成する4つの平面ヒートパイプ1120を有する照明モジュール1100を示している。図11は、図10の断面図である。ヒートパイプの内面1101は、反射コーティングされ、又は反射ホイルで内張りされ、反射性である。発光素子は、照明モジュールの下方内側端部において反射面上に配置される。発光素子から放射される光は、混合光1103として照明モジュールを出る前に、照明モジュールの内面による繰り返し反射を経る。発光素子からの熱は、ヒートパイプ1102の蒸発端部1118の近傍から、ヒートパイプを通って、照明モジュールの出射端部に配置されるヒートパイプの凝縮端部1116の方へ伝わる。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
図13は、本発明の一実施例による照明モジュールを図示している。照明モジュール1300は、1つ以上のヒートパイプ、とりわけ、第1ヒートパイプ部1312の蒸発端部1318に熱的に結合される複数の発光素子1320を含む。ヒートパイプは、発光素子1320の放熱を可能にする第1ヒートパイプ部及びヒートシンク1315と熱連通する第2ヒートパイプ部1327を含む。照明モジュール1300は、ヒートシンク1315又はヒートパイプの第2ヒートパイプ部1327と熱的に結合される場合にヒートシンクとして役立ち得るハウジング1325を更に含む。ハウジング1325の内壁部に配置される光反射器1324、例えば放物面反射器の焦点面内に配置され得る発光素子1320からの出力光は、それによって、実質的に、照明モジュール1300の長手方向軸に沿ってコリメートされる方向に、照明モジュール1300の出射孔の方へ反射される。ヒートパイプ及びハウジング1325は、第2ヒートパイプ部が、ハウジングの出射面の縁のまわりのスロットに差し込まれ得るように構成される。照明モジュールによって規定されるエンベロープの内部、及び照明モジュールの長さの大部分の間では、発光素子からの熱及び光は、両方とも、ほぼ同じ方向に伝わる。
Claims (21)
- 照明モジュールであって、
a)光を生成するための1つ以上の発光素子の1つ以上のアレイと、
b)1つ以上のアレイと熱連通する1つ以上の熱抽出素子であって、熱を実質的に第1方向に伝達する1つ以上の熱抽出素子と、
c)前記アレイに光学的に結合される光学系であって、前記発光素子からの前記光を実質的に前記第1方向に向ける光学系とを有する照明モジュール。 - 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記光学系が、前記光を、前記照明モジュールによって規定される光共振器の外へ反射するよう構成される光反射器を有する照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記光学系が、前記1つ以上のアレイから放射される光の向きを変更するよう構成される光導体を有する照明モジュール。
- 請求項1、2又は3に記載の照明モジュールであって、前記光学系が、前記1つ以上の発光素子によって放射される前記光を、前記光が前記照明モジュールを出る前に、コリメートするよう構成される光学素子を有する照明モジュール。
- 請求項4に記載の照明モジュールであって、前記光学素子が、更に、前記1つ以上の発光素子によって放射される前記光を混合するよう構成される照明モジュール。
- 請求項4に記載の照明モジュールであって、前記光学素子が、全内部反射集光器、複合放物面集光器、楕円集光器、複合楕円集光器、全内部反射反射器及び複合双曲型集光器を有するグループから選択される照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子の各々が、ヒートパイプ又は熱サイフォンのいずれかである照明モジュール。
- 請求項4に記載の照明モジュールであって、複数の熱抽出素子であって、各々が側壁部を持ち、前記側壁部が、前記1つ以上の発光素子によって放射される前記光をコリメートするよう構成される前記光学素子を規定する複数の熱抽出素子を有する照明モジュール。
- 請求項8に記載の照明モジュールであって、前記複数の熱抽出素子が、放物形で構成される照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記光学系が、光拡散器を更に有する照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子が、ヒートシンクに熱的に結合される照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子が、能動冷却装置に熱的に結合される照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子が、前記1つ以上の発光素子に対する電気的接続性を供給するよう構成される回路トレースを前記1つ以上の熱抽出素子の上に有する照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子が、電気的に不活性である照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の熱抽出素子が、導電性であり、前記1つ以上の発光素子に対する電気的接続性を供給するよう構成される照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の発光素子が、前記1つ以上の熱抽出素子に直接取り付けられる照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記1つ以上の発光素子が、前記1つ以上の熱抽出素子に熱的に結合される熱伝導性基板に取り付けられる照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記光が、前記第1方向とほぼ等しい平均方向を持って、前記モジュールを出る照明モジュール。
- 請求項11に記載の照明モジュールであって、前記ヒートシンクが、前記光をコリメートするよう構成される内面を持つ照明モジュール。
- 請求項11に記載の照明モジュールであって、前記ヒートシンクが、光反射面として構成される内面を持つ照明モジュール。
- 請求項1に記載の照明モジュールであって、前記光学系が、前記光の向きの変更及び混合をするよう構成される1つ以上の光学素子と、前記光のビーム成形及び混合をするよう構成される1つ以上の光学素子と、ビーム成形をするよう構成される1つ以上の終段光学素子とを有する照明モジュール。
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