JP2014063712A

JP2014063712A - 照明装置

Info

Publication number: JP2014063712A
Application number: JP2013009009A
Authority: JP
Inventors: Ayaka Suzuki; 彩加鈴木; Makoto Sugiyama; 誠杉山; Masafumi Matsui; 雅史松井; Nobuyuki Yasui; 伸行安井
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-04-10

Abstract

【課題】ＬＥＤを用いた照明装置において、小型でＬＥＤの冷却効率を向上することを目的とするものである。
【解決手段】発光ダイオード（ＬＥＤ３ａ）を用いた光源部３と、この光源部３と密着させて発生する熱を放出する冷却部４とで構成される照明装置１において、光源部３は、ＬＥＤ３ａと、ＬＥＤ３ａを取り付けた回路部３ｂを有し、冷却部４は、中空板状の蒸発部４ａと、中空棒状の複数の放熱部４ｂとで構成され、この蒸発部４ａには、一面に複数の放熱部４ｂを直立させ、この面と対向する面に、光源部３を密着させるとともに、蒸発部４ａと放熱部４ｂとを中空内部で連通させて冷媒を封入し、この冷媒の相変化により光源部３の発熱を外部へ放出するものであるので、照明装置１を小型化し、効率よく冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般住宅、事務所、ホールなどに用いられる照明装置、特に、ＬＥＤ（発光ダイオード）を発光源とする照明装置に関するものである。

近年、技術開発が進み、一般の照明用として、発光ダイオード（以降、ＬＥＤ）を多用するようになってきた。その発光源となるＬＥＤは、発熱量が大きく、照明装置の性能や信頼性を確保するために、発光源を冷却することが必要になっている。従来のＬＥＤを用いた照明装置について、図５を用いて説明する。

この従来の照明装置１０１は、発光源となるＬＥＤ１０２を複数設けた基板１０３と、この基板の背面側に設けた冷却部１０４とをフード１０５で覆った構成である。冷却部１０４は、ＬＥＤ１０２の熱を直接冷却するペルチェ素子１０６と、ペルチェ素子１０６からの発熱を放熱するヒートシンク１０７とで構成されている（例えば特許文献１）。

特開２０１１―１８５００号公報

しかしながら、上記従来例による照明装置では、電力消費量の多いペルチェ素子１０６を用いているため、このペルチェ素子自体を冷却するために、大きなヒートシンクを用いなくてはならなかった。そのため、ＬＥＤを用いた照明装置は、重量の大きいものとなっていた。

そこで、本発明は、ＬＥＤを用いた照明装置の小型化し、効率よく冷却することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明の照明装置は、
発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源部と、この光源部と密着させて発生する熱を放出する冷却部とで構成される照明装置において、
前記光源部は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤを取り付けた基板を有し、
前記冷却部は、
中空板状の蒸発部と、
中空棒状の複数の放熱部とで構成され、
この蒸発部には、一面に複数の前記放熱部を直立させ、
この面と対向する面に、前記光源部を密着させるとともに、
前記蒸発部と前記放熱部とを中空内部で連通させて前記冷媒を封入し、この冷媒の相変化により前記光源部の発熱を外部へ放出するものであり、
これにより所期の目的を達成するものである。

以上のごとく本発明の照明装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源部と、この光源部と密着させて発生する熱を放出する冷却部とで構成される照明装置において、
前記光源部は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤを取り付けた基板を有し、前記冷却部は、中空板状の蒸発部と、中空棒状の複数の放熱部とで構成され、この蒸発部には、一面に複数の前記放熱部を直立させ、この面と対向する面に、前記光源部を密着させるとともに、前記蒸発部と前記放熱部とを中空内部で連通させて前記冷媒を封入し、この冷媒の相変化により前記光源部の発熱を外部へ放出するものであるので、照明装置を小型化し、効率よく冷却することができる。

すなわち、本発明においては、従来のように、重いヒートシンクを用いることなく、中空のヒートパイプ式の冷却部を用いているため、軽量・小型化が出来る。また、中空棒状の放熱部は、放熱面積を大きく取ることができるので、効率よく放熱が出来るのである。

本発明の実施の形態１の照明装置の外観図同照明装置の断面図同照明装置の冷却原理を示すための要部断面図同照明装置の冷却部の斜視図同照明装置の放熱部内壁の凹凸構造を示した斜視図（ａ）同凹凸構造の一例を示す図、（ｂ）同凹凸構造の一例を示す図、（ｃ）同凹凸構造の一例を示す図、（ｄ）同凹凸構造の一例を示す図、（ｅ）同凹凸構造の一例を示す図（ａ）凹凸構造を有していない壁面において液相作動流体の付着接触角が大きい状態を示す図、（ｂ）凹凸構造を有する壁面において液相作動流体の付着接触角が小さい状態を示す図従来のＬＥＤを用いた照明装置の概略図

本発明の請求項１記載の照明装置は、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源部と、この光源部と密着させて発生する熱を放出する冷却部とで構成される照明装置において、前記光源部は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤを取り付けた基板を有し、前記冷却部は、中空板状の蒸発部と、中空棒状の複数の放熱部とで構成され、この蒸発部には、一面に複数の前記放熱部を直立させ、この面と対向する面に、前記光源部を密着させるとともに、前記蒸発部と前記放熱部とを中空内部で連通させて前記冷媒を封入し、この冷媒の相変化により前記光源部の発熱を外部へ放出するという構成を有する。これにより、冷却部の内部では、ヒートパイプの原理と同じように冷媒の循環サイクルが形成され、複数設けられた放熱部により、放熱面積が確保され、光源部の発熱を効率よく冷却するという効果を奏する。

また、発熱部の内部は、底面周囲にすり鉢状にテーパ面を設け、中央部を平坦部とした構成にしてもよい。これにより、放熱部の内壁面で液化した冷媒が蒸発部内へ滴下してきたとき、光源部の周囲にある液冷媒も、一番高温である光源部内壁へ流れる落ちることにより、冷媒はより高温の光源部の熱を受けやすくなり、効率よく光源部の発熱を冷却するという効果を奏する。

また、放熱部は、蒸発部との接続部分の径を拡げたラッパ形状とした構成にしてもよい。これにより、放熱部を下降してきた液相の冷媒は、蒸発部側へ滴下しやすくなるので、冷媒の循環が促進されることとなり、熱の循環がスムーズに行われ熱交換効率が向上するという効果を奏する。

また、放熱部の上端部分は、先端が細くなる形状とした構成にしてもよい。これにより、放熱部近傍で発生した上昇気流が、放熱部を離れる際の乱流を小さく抑えることができ、上昇気流の流れを促進するため、外気との熱交換を促進し、熱交換効率を高めるという効果を奏する。

また、放熱部は、格子状に複数立てて並べた構成にしてもよい。これにより、放熱部を形成する外壁面積を大きく確保することができ、さらに、水平方向にはいろいろな方向からの空気が通り抜けることができることになり、外気との熱交換を効率よくできるという効果を奏する。

また、放熱部と蒸発部の内壁の全てまたは一部に、液相冷媒の濡れ性を向上させる処理を施した構成にしてもよい。これにより、内壁に付着した液相冷媒は、濡れ広がりやすくなり、放熱部においては液相が蒸発部へ移動しやすく、蒸発部においては液相冷媒が薄膜となり、光源部の熱を受けた際、蒸発しやすくなるため、熱の循環がスムーズに行われ、冷却効率を高めるという効果を奏する。

また、液相冷媒の濡れ性を向上させる処理は、少なくとも凹または凸の構造を施した構成にしてもよい。これにより、相対的に凹んだ部分には、液化した冷媒が引き込まれるという毛細管現象が発生し、液相冷媒の表面張力γ_Sよりも内壁への付着力γ_Lの方が大きくなることで、液相冷媒が放熱部内壁へ濡れ広がり、蒸発部への冷媒移動がスムーズに行われることにより、光源部の発熱を効率よく冷却するという効果を奏する。

また、液相冷媒の濡れ性を向上させる処理は、コーティング剤を塗布する構成にしてもよい。これにより、塗布部の濡れ性が向上し、液相冷媒は濡れ広がりやすくなり、放熱部においては液相が蒸発部へ移動しやすく、蒸発部においては液相冷媒が薄膜となり発光部より熱を受けた際、蒸発しやすくなるため、熱の循環がスムーズに行われ、冷却効率を高めるという効果を奏する。

以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における照明装置１の外観を表すものである。図１に示すように、照明装置１は、下方が開放されたケース２内に光源部３と冷却部４とが備えられている。ケース２は、天井５０の天井裏などに設置され、表側には、時には反射板を兼ねたカバー５が設けられている。冷却部４は、放熱のため、一部ケース２から露出した状態になっている。

図２は、照明装置１の断面図である。図２に示す通り、ケース２には、天井５０に取り付けが可能なようにフランジ２ａが設けられている。また、ケース２内には、後述する冷却部４を固定する固定手段２ｂと、冷却部４を連通するケース開口２ｃが設けられている。

なお、カバー５は、ケース２を含めた照明装置１本体を天井５０に固定した後、フランジ２ａを覆い隠すように最後に取り付けられる。

冷却部４は、中空板状の蒸発部４ａと中空棒状で複数設けられる放熱部４ｂとで構成されている。複数の放熱部４ｂは、蒸発部４ａの上面に直立するようにして固定されている。そして、放熱部４ｂは、図４に示すように、蒸発部４ａの上面に格子状に、均等な間隔で、整列して設けられている。また、複数の放熱部４ｂは、略同じ高さになっている。１つの放熱部４ｂの形状は、前述の通り、中空の棒状で、上部先端は半球状になっている。また、下部では、末端が広がった「ラッパ型」となっている。本実施の形態においては、放熱部４ｂの形状を円筒形状としたが、円筒に限定されるものではなく、多角柱形状であってもよい。

放熱部４ｂと蒸発部４ａとは、中空の内部が連通して、ひとつの空間を形成し、この空間に冷媒が封入されることになる。冷媒としては、純水、エタノール、フロンなどが用いられる。特に、照明装置１内を減圧した上で純水を封入することによって、環境への不可が小さく、安全で安価な照明装置１となる。また、蒸発部４ａの下面の略中央には、後述する光源部３が密着して固定される。蒸発部４ａの内部において、その底面は、中央部に向かって下がる傾斜が設けられている。なお、中心部分は、下面に取り付けられた光源部３の発熱が伝わりやすいように薄肉の平坦部である。

光源部３は、ＬＥＤ３ａと、このＬＥＤ３ａを表面に設け、ＬＥＤ３ａを駆動するための回路基板を納めた回路部３ｂとで構成されている。そして、光源部３は、前述の通り、蒸発部４ａの下面の略中央に、光源となるＬＥＤ３ａの発光部分を下方に向けて取り付けられている。

上記構成により、その作用について図３を用いて説明する。

照明装置１に電源を投入すると、ＬＥＤ３ａが点灯し、光源部３は発熱し始める。この発熱は、蒸発部４ａに伝達し、蒸発部４ａ内部の下部に位置する液相の冷媒を蒸発させる。蒸発した冷媒は、冷却部４内を上昇し、放熱部４ｂへ移動する。放熱部４ｂは、内部と比較して冷たい外部の空気にさらされて、気相の冷媒が冷却される。このとき、冷媒は潜熱を奪われて、放熱部４ｂの内壁面で液化する。そして、この液化した冷媒は、放熱部４ｂの内壁面を伝って下降することになる。下降した液相の冷媒は、蒸発部４ａ内へ滴下して溜まり、再び光源部３の発熱を吸収することになる。このように、冷却部４の内部では、ヒートパイプの原理と同じように冷媒の循環サイクルが形成されるのである。

ここで、放熱部４ｂは、複数設けられて、放熱面積が確保されて、冷却効果を高めている。すなわち、放熱部４ｂは、複数の棒状のものを蒸発部４ａの上面側に格子状に並べて建てられている。このような構成によれば、放熱部４ｂを形成している外壁面積を大きく確保することが出来るとともに、水平方向にはいろいろな方向からの空気の流れが通り抜け出来ることになるので、外気との熱交換を効率よく出来ることになる。

なお、ケース２には、水平方向の空気の流れを妨げないよう、側面全体に複数の開口（図示せず）が設けられている。

また、放熱部４ｂの周りで温められた外気は、放熱部４ｂの周りを上昇していく。放熱部４ｂの上側の先端は、半球状にしてあるので、この上昇気流が放熱部４ｂを離れる際の乱流を小さく抑えることができ、上昇気流の流れを促進することになる。すなわち、放熱部４ｂの周りの上昇気流を加速させることによって、外気との熱交換を促進し、熱交換効率を高めることが出来るのである。

なお、本実施の形態では、放熱部４ｂの先端（上端）を半球状としたが、先端が小さくなる形状であればよく、例えば、円錐状になっていてもよい。

さらに、放熱部４ｂの下端部は、その径が大きくなる形状、言い換えると、ラッパ状に拡がる形状としている。そのため、放熱部４ｂを下降してきた液相の冷媒は、下端部において隣り合った放熱部４ｂからの液相冷媒と合流する。そして、合流した液相冷媒は、蒸発部４ａ側へ滴下しやすくなるので、冷媒の循環が促進されることになる。すなわち、冷媒が循環しやすくなるので、熱の循環がスムーズに行なわれ、結果、熱交換効率が向上する。

次に、図５、図６、図７を用いて、冷却部内部の構造について説明する。例えば、図５は、放熱部４ｂの一部の内壁に、液相の冷媒の濡れ性を向上させる処理として、凹凸構造を施したものである。

放熱部４ｂに設けられた凹凸構造１０は、例えばエアコンなどの熱交換器に広く使われる内面微細溝構造を設けた高性能伝熱管に用いられるものとして知られており、材質は銅やアルミである。この凹凸構造１０は、冷媒の循環を妨げることがないよう、図５のように、冷媒循環方向に沿って形成しており、略断面形状が例えばＶ字状の内面微細構造になっており、鍛造工法にて製作される。なお、この断面形状は図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すような凹凸構造１０ａにしてもよい。

このような構造により、凹凸構造１０の凹部に液化した冷媒が引き込まれるという毛細管現象が発生する。この毛細管現象により、内壁に付着していた液相冷媒１１は、その表面張力γ_Sよりも、内壁への付着力γ_Lの方が大きくなり、図７（ａ）に示す凹凸構造を有していない壁面において、液相冷媒１１の付着接触角が大きい状態から、図７（ｂ）に示す凹凸構造（図示せず）を有する壁面において、液相冷媒１１の付着接触角が小さい状態へと、放熱部４ｂ内壁へ濡れ広がるような付着になることで、蒸発部４ａへの冷媒移動がスムーズに行われることになり、蒸発部４ａへ液相冷媒１１の供給が途切れることなくできるので、光源部３の発熱を効率よく冷却できる。

また、放熱部４ｂにおいて、液相冷媒１１の液滴が多く保持されることで、蒸発部４ａへの液相冷媒１１の供給が滞り、蒸発ができず冷却ができなくなるというドライアウト現象が発生する。さらに、照明装置１に振動が加わったとき、放熱部４ｂに保持されていた液相冷媒１１が放熱部４ｂより下降し蒸発部へ供給されると、滞っていた冷却が突然再開されるという、冷却性能が不安定な状態となる問題点がある。しかし、このような構造により、放熱部４ｂにおいて、液相冷媒１１の保持量を減少させることができ、ドライアウトや、急激な冷却性能の変化を共に防ぐことができ、冷却性能を安定化させることができる。

なお、本実施の形態の凹凸構造１０は循環方向に沿って形成する構造としたが、それに限られるものではなく、網目状あるいは繊維状等に細く溝加工したもの、または他の構造でもよい。

なお、本実施の形態の凹凸構造１０の成形方法は、鍛造工法に限られるものではなく、切削工法あるいはプラズマ照射等の成形方法やその他の方法でも製作が可能である。プラズマ照射については、プラズマ粒子が処理面を洗浄・脱脂、租化および活性化させることを一度に実現できる。

なお、本実施の形態の液相の冷媒の濡れ性を向上させる処理は、凹凸構造を施したものとしたが、それに限られるものではなく、内壁に、使用冷媒に対し、液相冷媒１１の濡れ性を向上させるコーティング剤を塗布するものでもよい。冷媒が純水の場合のコーティング剤はセラミックス、エタノールやフロンの場合はガラス等がある。これにより、内壁においての液相冷媒１１の濡れ性は、元の内壁に比べ、向上し、液相冷媒の表面張力γ_Sよりも内壁への付着力γ_Lの方が大きくなることで、液相冷媒１１が放熱部４ｂの内壁へ濡れ広がり、蒸発部４ａへの冷媒移動がスムーズに行われることになり、蒸発部４ａへ液相冷媒の供給が途切れることなくできるので、光源部３の発熱を効率よく冷却できる。

そして、軽量化した照明装置は、天井などに取り付ける照明装置のほか、スポットライトなどにも、広く活用されることが期待される。

１照明装置
２ケース
２ａフランジ
２ｂ固定手段
２ｃケース開口
３光源部
３ａＬＥＤ
３ｂ回路部
４冷却部
４ａ蒸発部
４ｂ放熱部
５カバー
１０凹凸構造
１０ａ凹凸構造
１１液相冷媒

Claims

発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源部と、この光源部と密着させて発生する熱を放出する冷却部とで構成される照明装置において、
前記光源部は、ＬＥＤ素子と、ＬＥＤを取り付けた基板を有し、
前記冷却部は、
中空板状の蒸発部と、
中空棒状の複数の放熱部とで構成され、
この蒸発部には、一面に複数の前記放熱部を直立させ、
この面と対向する面に、前記光源部を密着させるとともに、
前記蒸発部と前記放熱部とを中空内部で連通させて冷媒を封入し、この冷媒の相変化により前記光源部の発熱を外部へ放出する照明装置。
前記蒸発部の内部は、底面周囲にすり鉢状にテーパー面を設け、
中央部を平坦部とした請求項１記載の照明装置。
前記放熱部は、前記蒸発部との接続部分の径を拡げたラッパ形状とした請求項１または２記載の照明装置。
前記放熱部の上端部分は、先端が細くなる形状とした請求項１〜３いずれかひとつに記載の照明装置。
前記放熱部は、格子状に複数立てて並べた請求項１〜４いずれかひとつに記載の照明装置。
前記放熱部と前記蒸発部の内壁の全てまたは一部に、液相の前記冷媒の濡れ性を向上させる処理を施したことを特徴とする請求項１〜５いずれかひとつに記載の照明装置。
前記処理は、少なくとも凹または凸の構造を施した請求項６に記載の照明装置。
前記処理は、コーティング剤を塗布した請求項６に記載の照明装置。