JP2012084834A

JP2012084834A - 照明装置の冷却構造

Info

Publication number: JP2012084834A
Application number: JP2011032781A
Authority: JP
Inventors: Shingo Ichikawa; 晋吾市川
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】ヒートシンクの放熱性能を高めてその軽量化を図ることができる照明装置の冷却構造を提供すること。
【解決手段】ＬＥＤ（光源）１０が搭載されたベースプレート２の背面に複数のプレート状放熱フィン３，４を平行に立設して成るヒートシンク１を備える照明装置の冷却構造として、前記ベースプレート２と平行な方向を冷却風の流れ方向とし、前記冷却風の流れ方向に３枚以上の放熱フィン３，４が配置されており、前記ＬＥＤ１０に近い位置に配置された放熱フィン４と、前記ＬＥＤ１０に近い位置の放熱フィン４よりも冷却風の流れ方向において左方及び右方に位置する放熱フィン４とが、冷却風の流れ方向の直交方向において互い違いに形成されている構成を採用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源が搭載されたベースプレートの背面に複数の放熱フィンを立設して成るヒートシンクを備える照明装置の冷却構造に関するものである。

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇するのに伴って発熱量が増加しているため、高性能の冷却システムに対する需要が高まっている。又、小型化のために高密度に集積された回路においても消費される電力は増加傾向にあり、発熱量と同時に発熱密度も急激に上昇している。

半導体であるＬＥＤ（発光ダイオード）においても、明るさの向上に伴って従来の表示用としての用途から照明としての用途も増えており、その消費電力も増加傾向にある。

ところが、ＬＥＤ素子の最大の問題は、投入した電力の大部分が熱となり、自信が発する熱によって発光効率が低下するという点である。特に、大電力を消費するＬＥＤにあっては、チップ当たり数Ｗもの発熱を受け止められるだけの放熱構造が求められており、この発熱を伝導させるために従来の樹脂基板に代えて熱伝導率の高いメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。

又、ベースプレートの背面に複数の放熱フィンを立設して成るヒートシンクによる放熱によってＬＥＤの発熱を抑える冷却構造も実用化されている。ここで、従来の照明装置のヒートシンクによる冷却構造の一例を図３に示す。

即ち、図３は従来の照明装置のヒートシンクによる冷却構造の一例を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図であり、図示のヒートシンク１１は、熱伝導率の高いアルミニウム合金製であって、矩形プレート状のベースプレート１２の背面に、冷却風の流れ方向（図３の上下方向）に長い矩形プレート状の複数枚（図示例では１１枚）の放熱フィン１３を左右方向（冷却風の流れ方向に直交する方向）に適当な間隔で垂直に立設して構成されており、光源であるＬＥＤ１０はベースプレート１２の表面の中央に搭載されている。

而して、光源であるＬＥＤ１０に通電されてこれが発光すると、該ＬＥＤ１０から発せられる熱はヒートシンク１１のベースプレート１２から各放熱フィン１３ヘと伝導し、各放熱フィン１３から空気中へと放熱されることによってＬＥＤ１０が冷却されてその温度上昇が抑えられる。

ところで、ヒートシンクの放熱性能を高めるためには、放熱フィンの総伝熱面積を拡大すれば良く、そのためには例えば図４に示すヒートシンク１１’に示すように放熱フィン１３の配列ピッチを狭くして該放熱フィン１３の枚数を増やすことが考えられる（図示例では、１５枚に増やしている）。

又、ヒートシンクに関して、特許文献１には、冷却風の導入位置に位置するウイング状放熱フィンに接する面（包絡面）を冷却風の下流側に突出する形で湾曲させ、冷却風の排出位置に位置するウイング状放熱フィンに接する面（包絡面）を冷却風の上流側に突出する形で湾曲するように構成する提案がなされている。この構成によれば、ヒートシンクを通り抜ける冷却風の流動抵抗はヒートシンクの両側部分で最も大きくなり、ヒートシンクの中央部分に向かうに従って小さくなるため、ヒートシンクの中央部分を通り抜ける冷却風の速度と量が増加し、ヒートシンクの中央部分の下部に取り付けられる高発熱素子が発する熱を効果的に放熱させることができる。

特許第３４０５９００号公報

ここで、図１０に１枚の放熱フィン１３での放熱の様子を示すが、放熱フィン１３に対して下方から流れる冷却風は放熱フィン１３の両面に温まった空気の層である層流境界層ＢＬを形成し、この層流境界層ＢＬは放熱フィン１３の先端から冷却風の流れ方向（図１０の上方）に向かって成長してその厚さが次第に大きくなる。この層流境界層ＢＬの熱伝達率はその外側の領域の熱伝達率よりも低いため、放熱フィン１３の層流境界層ＢＬが薄い先端部分では熱伝達率（図１０に矢印の長さで大きさを示す）大きく、そこから冷却風の流れ方向下流（図１０の上方）に向かうに従って層流境界層ＢＬの厚さが厚くなるための熱伝達率が低下する。

従って、図３及び図４に示すヒートシンク１１，１１’のように、各放熱フィン１３が冷却風の流れ方向に連続する長いものである場合、図１１に示すように、隣設する冷却フィン１３の相対向する面に形成される層流境界層ＢＬが冷却風の流れ方向に成長して重なり、両放熱フィン１３の間の流路が層流境界層ＢＬで覆われるために放熱フィン１３の放熱性能が低下するという問題が発生する。この問題は図４に示すヒートシンク１１’のように放熱フィン１３の数を増やしたために隣接する放熱フィン１３同士の間隔が狭い場合には特に顕著であり、又、図４に示すヒートシンク１１’のように放熱フィン１３の数を増やすとヒートシンク１１’の重量が増加するという問題も発生する。そして、このような問題は特許文献１において提案されたヒートシンクにおいても同様に発生する。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ヒートシンクの放熱性能を高めてその軽量化を図ることができる照明装置の冷却構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の照明装置は、光源が搭載されたベースプレートの背面に複数のプレート状放熱フィンを平行に立設して成るヒートシンクを備える照明装置の冷却構造として、前記ベースプレートと平行な方向を冷却風の流れ方向とし、前記冷却風の流れ方向に３枚以上の放熱フィンが配置されており、前記光源に近い位置に配置された放熱フィンと、前記光源に近い位置の放熱フィンよりも冷却風の流れ方向において左方及び右方に位置する放熱フィンとが、冷却風の流れ方向の直交方向において互い違いに形成する構成とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヒートシンクの前記放熱フィンを前記光源を中心として冷却風の流れ方向に直交する方向に対称に配置したことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記光源に近い位置に配置された前記放熱フィンの長さを、前記光源に近い位置に配置された放熱フィンよりも冷却風の流れ方向において上方及び下方に位置する放熱フィンよりも短くしたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記光源に近い位置に配置された前記放熱フィンの高さを他の放熱フィンの高さよりも高くしたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、ベースプレートの背面に立設される複数のプレート状放熱フィンを平行に立設して成るヒートシンクを備える照明装置の冷却構造において、ヒートシンクの放熱フィンを冷却風の流れ方向に直交する方向に互い違いに配列したため、隣接する放熱フィン同士の間隔を大きくすることができ、各放熱フィンの両面に先端から成長する層流境界層の厚さが薄くなる。このため、各放熱フィンの放熱性が向上し、ヒートシンク全体の放熱性能が向上し、この結果、放熱フィンの数（連続した１本の放熱フィンに換算した本数）を減らしてヒートシンクの軽量化を図ることができる。

請求項２記載の発明によれば、ヒートシンクの放熱フィンを光源を中心として冷却風の流れ方向に直交する方向に対称に配置したため、光源から発生する熱は該光源を中心としてその両側に対称に配された放熱フィンによって均等且つ効果的に放熱され、光源が一層効率良く冷却される。

請求項３記載の発明によれば、光源に近い温度の高い位置に配置された放熱フィンの長さを他の放熱フィンの長さよりも短くしたため、その短い放熱フィンの両面に形成される層流境界層の厚さが薄くなり、それらの放熱フィンの冷却性能が高められて光源が効率良く冷却される。

請求項４記載の発明によれば、光源に近い位置に配置された放熱フィンの高さを他の放熱フィンの高さよりも高くしたため、光源に近い位置に配置された高さの高い放熱フィンの放熱面積が増える。ここで、光源からの熱は光源の中心から同心円を描くように周囲に伝導するため、光源に近い放熱フィンの放熱性能を高めることによって光源からの熱が効率良く放熱されて光源が効果的に冷却される。特に、光源に近い位置に配置された高さの高い放熱フィンは他の高さの低い放熱フィンから突出し、この突出する部分には暖められていない温度の低い空気が直接流れるため、この部分からの放熱が効果的になされる。尚、放熱フィンの放熱面積を増やして放熱性能を高めるには全ての放熱フィンの高さを高くすれば良いが、全ての放熱フィンの高さを高くするとヒートシンクの重量増加を招くために好ましくない。

本発明の実施の形態１に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。図１（ｂ）のＡ部拡大詳細図である。従来の照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。従来の照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。参考例に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。参考例に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図である。本発明の実施の形態２に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図である。本発明の実施の形態２に係る照明装置の冷却構造における熱の広がりを示す正面図である。本発明の実施の形態２に係る照明装置の冷却構造における空気の流れを示す側面図である。１枚の放熱フィンでの放熱の様子を示す図である。隣設する放熱フィンにおける層流境界層の形態を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は斜視図、図２は図１（ｂ）のＡ部拡大詳細図である。

本発実施の形態に係る照明装置には、光源であるＬＥＤ１０の冷却構造としてヒートシンク１が備えられている。そして、ヒートシンク１には図１（ｂ）に矢印Ｆにて示すように自然空冷による冷却風若しくは送風機等の外部冷却風から流れて放熱を促進する（本実施の形態では、図１（ｄ）に示すように、送風機５によって冷却風をヒートシンク１に送る外部冷却方式が採用されている）。

ところで、ヒートシンク１は、熱伝導率の高いアルミニウム合金製であって、矩形プレート状のベースプレート２の表面の中央部には光源であるＬＥＤ１０が搭載され、ベースプレート２の背面には長さの異なる２種類のプレート状の放熱フィン３，４が冷却風の流れ方向Ｆに直交する方向（図１の左右方向）に互い違いに配列されて垂直且つ平行に立設されている。具体的には、冷却風の流れ方向Ｆにおいて上流側（図１の下側）から長さＬ１の７枚の矩形プレート状の放熱フィン３が左右方向（冷却風の流れ方向Ｆに直交する方向）に等間隔Ｐで平行方向に立設して配列され、その上方（冷却風の流れ方向Ｆにおいて下流側）には放熱フィン３の長さＬ１よりも短い長さＬ２（＜Ｌ１）の８枚、７枚、８枚の矩形プレート状の放熱フィン４が左右方向に等間隔Ｐで上下３段に亘って互い違いに配置され、これらの上方には長さＬ１の矩形プレート状の放熱フィン３が左右方向に等間隔Ｐで配列されている。尚、図示しないが、光源であるＬＥＤ１０は、ＬＥＤチップを矩形の基板上に実装して構成されている。

ここで、最下段の長さＬ１の放熱フィン３とその上方に配された長さＬ２の放熱フィン４とは左右方向にＰ／２ずつピッチがずれた状態が互い違いに千鳥状に配列され、長さＬ２の上下３段の短い放熱フィン４も上下で隣接するもの同士が左右方向にＰ／２ずつピッチがずれた状態で互い違いに千鳥状に配列されている。又、最上段の長さＬ２の放熱フィン３とその下方の長さＬ２の短い放熱フィン４とは左右方向にＰ／２ずつピッチがずれた状態で互い違いに千鳥状に配列されている。

又、本実施の形態に係るヒートシンク１においては、図１（ｂ）に示すように、中段の長さの短い放熱フィン４のうち、左右方向中央に位置する１枚の放熱フィン４が左右方向においてＬＥＤ１０の中央に配置されており、全ての放熱フィン３，４はＬＥＤ１０を中心として左右方向（冷却風の流れ方向Ｆに直交する方向）に対称に配置されている。そして、ＬＥＤ１０に近い側に長さＬ２の短い放熱フィン４が配置され、ＬＥＤ１０から遠い側に長さＬ１の長い放熱フィン３が配置されている。

尚、本実施の形態に係るヒートシンク１のベースプレート２の大きさは６０ｍｍ×６０ｍｍ、放熱フィン３，４の高さは２７．５ｍｍに設定されている。

以上のように構成されたヒートシンク１を備える照明装置において、光源であるＬＥＤ１０に不図示の電源から通電されてこれが発光すると、該ＬＥＤ１０から発せられる熱はヒートシンク１のベースプレート１０から各放熱フィン３，４ヘと伝導し、各放熱フィン３，４から空気中へと放熱されることによってＬＥＤ１０が冷却されてその温度上昇が抑えられるが、本発明に係る冷却構造によれば以下のような効果が得られる。

即ち、本実施の形態では、ヒートシンク１の長さの異なる複数の放熱フィン３，４を冷却風の流れ方向Ｆに直交する方向（左右方向）に互い違いに配列したため、各放熱フィン３，４の長さＬ１，Ｌ２を図３及び図４に示した従来のヒートシンク１１，１１’の放熱フィン１３の長さよりも短くすることができ、例えば図２に示すように、放熱フィン１３の両面に先端から成長する層流境界層ＢＬの厚さが薄くなるとともに、隣接する放熱フィン３同士及び放熱フィン４同士の間隔Ｐを大きくすることができる。このため、長さの異なる各放熱フィン３，４の左右方向に隣接するもの同士の間（冷却風の流路）が成長して厚さが厚くなった層流境界層ＢＬによって塞がれることがなく、各放熱フィン３，４の放熱性が高められてヒートシンク１全体の放熱性能が高められる。この結果、放熱フィン３，４の数（連続した１本の放熱フィンに換算した本数）を減らしてヒートシンク１の軽量化を図ることができる。尚、本実施の形態では、連続した１本の放熱フィンに換算した本数は７本となる。

又、本実施の形態では、ヒートシンク１の放熱フィン３，４をＬＥＤ１０を中心として左右方向（冷却風の流れ方向Ｆに直交する方向）に対称に配置したため、ＬＥＤ１０から発生する熱は該ＬＥＤ１０を中心としてその両側に対称に配された放熱フィン３，４によって均等且つ効果的に放熱され、ＬＥＤ１０が一層効率良く冷却される。

更に、本実施の形態では、光源であるＬＥＤ１０に近い温度の高い領域に長さＬ２の短い放熱フィン４を配置したため、その短い放熱フィン４の両面に形成される層流境界層ＢＬの厚さが薄くなり、それらの放熱フィン４の冷却性能が高められてＬＥＤ１０が一層効率良く冷却される。尚、冷却風をヒートシンク１に流す方式は送風機５による外部冷却に限るものではなく、自然対流による矢印Ｆ方向の冷却風の流れによる自然空冷であっても良い。例えば、照明装置のヒートシンク１を図１に示すように上下方向に設置した場合には、ＬＥＤ１０から発せられる熱は自然対流による矢印Ｆ方向の冷却風の流れによって放熱が促進される。

本実施例では、本発明の実施の形態１に係る冷却構造の前記効果を確認するため、図１に示す本発明の実施の形態１に係る冷却構造を構成するヒートシンク１と従来の冷却構造を構成する図３及び図４に示すヒートシンク１１，１１’及び参考例として冷却構造を構成する図５及び図６に示すヒートシンク２１，３１について光源（ＬＥＤ）の温度とヒートシンク重量とをシミュレーションによって求めた。

尚、図５に示すヒートシンク２１は上下方向に５分割された矩形状の放熱フィン２３を左右方向にずらすことなく１１列に配置して構成され、図６に示すヒートシンク３１は複数の放熱フィン３３，３４を左右方向にずらすとともに、上下方向にδだけ互いにオーバーラップさせて配置して構成されている。

ここで、シュミレーシュン条件は何れのヒートシンクに対しても同一で下記の通りである。

・光源の大きさ：１０ｍｍ×１０ｍｍ
・光源の位置：ヒートシンク中央
・光源の電力：１０Ｗ
・ヒートシンクの材質：アルミニウム合金（Ａ５０５２）
・ヒートシンクの熱伝導率：１４０Ｗ／ｍＫ
・ヒートシンクの比重：２．７
・周囲温度：２５℃
・風速：０．３ｍ／ｓ
シミュレーションの結果を表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、本発明の実施の形態１に係る冷却構造によれば、光源の温度上昇を抑えつつ、ヒートシンク１の軽量化を図ることができ、例えば図３に示す従来のヒートシンク１１に対して１４．３ｇの軽量化を図ることができた。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施に形態２を図７〜図９に基づいて以下に説明する。

図７は本発明の実施の形態２に係る照明装置の冷却構造を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、図８は同冷却構造における熱の広がりを示す正面図、図９は同冷却構造における空気の流れを示す側面図であり、これらの図においては図１に示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

本実施の形態に係る照明装置の冷却構造におけるヒートシンク１のベースプレート２の背面における放熱フィン３，４の配列は前記実施の形態１のそれと同じであるが、本実施の形態では、ＬＥＤ１０に近い位置に配置された長さの短い７本の冷却フィン（黒く塗り潰した放熱フィン）４の高さｈ１をその他の放熱フィン３，４の高さｈ２よりも高く設定している（ｈ１＞ｈ２）。尚、他の構成は前記実施の形態のそれと同じである。

ここで、図８にヒートシンク１におけるＬＥＤ１０からの熱の広がり方を示すが、ＬＥＤ１０からの熱は図示のようにＬＥＤの中心から同心円Ｃ１，Ｃ２を描くように周囲に広がっていく。従って、本実施の形態では、同心円Ｃ１によって囲まれる７本の長さの短い放熱フィン４の高さｈ１を他の放熱フィン３，４の高さｈ２よりも高く設定している。

而して、本実施の形態に係る冷却構造によれば、ＬＥＤ１０に近い位置に配置された長さの短い７本の放熱フィン４の高さを他の放熱フィン３，４の高さｈ２よりも高くしたため（ｈ１＞ｈ２）、これらの高さの高い放熱フィン４の放熱面積が増える。ここで、ＬＥＤ１０からの熱は前述のようにＬＥＤ１０の中心から同心円を描くように周囲に伝導するため、ＬＥＤ１０に近い７本の放熱フィン４の放熱性能を高めることによってＬＥＤ１０からの熱が効率良く放熱されてＬＥＤ１０が効果的に冷却される。

又、本実施の形態に係る冷却構造におけるヒートシンク１での空気の流れを図９に示すが、ＬＥＤ１０に近い位置に配置された高さの高い７本の放熱フィン４は他の高さの低い放熱フィン３，４から突出し、この突出した部分には暖められていない温度の低い空気が直接流れるため、この部分からの放熱が効果的になされる。

尚、放熱フィン３，４の放熱面積を増やして放熱性能を高めるには全ての放熱フィン３，４の高さを高くすれば良いが、全ての放熱フィン３，４の高さを高くするとヒートシンク１の重量増加を招くために好ましくない。

本実施例では、本発明の実施の形態２に係る冷却構造の前記効果を確認するため、図７に示す本発明の実施の形態２に係る冷却構造を構成する高さの異なる４種類のヒートシンク１と図１に示した前記実施の形態１に係るヒートシンク１及び従来の冷却構造を構成する図３に示すヒートシンク（定型フィンヒートシンク）について光源（ＬＥＤ）の温度とヒートシンク重量、図３に示す定型フィンヒートシンクとの熱源（ＬＥＤ）の温度差、定型フィンヒートシンクとの重量差をシミュレーションによって求めた。
ここで、シュミレーシュン条件は何れのヒートシンクに対しても前記実施例１のそれと同じである。

表２に示す結果から明らかなように、本発明の実施の形態２に係る冷却構造において光源（ＬＥＤ）に近い位置に配置された７本の放熱フィン４の高さを４２．５ｍｍい譲渡することによって、光源の温度上昇を抑えつつ、ヒートシンク１の軽量化を図ることができた。

１ヒートシンク
２ベースプレート
３，４放熱フィン
５送風機
１０ＬＥＤ（光源）
ＢＬ層流境界層
Ｃ１，Ｃ２同心円
Ｆ冷却風の流れ方向
ｈ１，ｈ２放熱フィンの高さ
Ｌ１，Ｌ２放熱フィンの長さ
Ｐ放熱フィンの間隔

Claims

光源が搭載されたベースプレートの背面に複数のプレート状放熱フィンを平行に立設して成るヒートシンクを備える照明装置の冷却構造であって、
前記ベースプレートと平行な方向を冷却風の流れ方向とし、前記冷却風の流れ方向に３枚以上の放熱フィンが配置されており、前記光源に近い位置に配置された放熱フィンと、前記光源に近い位置の放熱フィンよりも冷却風の流れ方向において左方及び右方に位置する放熱フィンとが、冷却風の流れ方向の直交方向において互い違いに形成されていることを特徴とする照明装置の冷却構造。
前記ヒートシンクの前記放熱フィンを前記光源を中心として冷却風の流れ方向に直交する方向に対称に配置したことを特徴とする請求項１記載の照明装置の冷却構造。
前記光源に近い位置に配置された前記放熱フィンの長さを、前記光源に近い位置に配置された放熱フィンよりも冷却風の流れ方向において上方及び下方に位置する放熱フィンよりも短くしたことを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置の冷却構造。
前記光源に近い位置に配置された前記放熱フィンの高さを他の放熱フィンの高さよりも高くしたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の照明装置の冷却構造。