JP2020079951A - 高輝度光源用の変換器ユニットの冷却 - Google Patents
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Abstract
Description
−セラミックの変換器材料の使用。
−変換器ユニットにわたる十分な温度の平均化を達成するために、十分に高い支持体ホイールの回転速度。
−変換器環に比べて大幅に拡大された表面積を有する支持体ホイール。大幅に拡大された表面積にわたって熱を効率的に分散させ且つ放熱することができるようにするために、良好な熱伝導率を有する材料から成る支持体ホイール。
−良好な空気循環を生ぜしめる冷却薄板、又はファンに似た別の有利な幾何学形状を有する支持体ホイール。
−熱放射に関して高い放射率を有する支持体ホイール。
−高い放射率の恩恵を受けるために、高い運転温度を可能にする変換器ユニット。
がどの程度になるのか、が見積もられる。
図2は、変換器の周縁曲線により取り囲まれた面積に対する変換器ユニットの全面積の比率に関して、変換器3が取り付けられた、扁平な円形の支持体ホイール2を備える従来の変換器ユニット1を示すものである。これに対して、図2に示した変換器ユニットの他の全ての特徴は、本発明による変換器ユニットの特徴であってもよい。
図4に示す本発明による変換器ユニット1でも、やはり変換器3が支持体ホイール2に取り付けられているが、この支持体ホイール2は、変換器3とは反対の側に、複数の冷却薄板16を有している。これらの冷却薄板16は、支持体ホイール2の表面に対して垂直に位置しており且つ支持体ホイール2に熱結合している。全体的に、支持体ホイール2の全表面積は、冷却薄板16に基づいて増大している。これにより、変換器ユニットの放熱量が高められる。支持体ホイール2が付加的に、その中心軸線を中心として回転されると、空気の吹き出しが発生し、これにより、放熱量は更に高められる。冷却薄板は、付加的なプレート6に取り付けられていてもよい。変換器3の幾何学形状及び変換器3に用いられる材料に関しては、基本的に実施形態1に関するものと同様の考察が当てはまる。
−オプトセラミックスとミラーとの間の接着剤:厚さd=10μm、λ=0.3WK−1m−1、
−ミラーとファンホイールとの間の接着剤:d=45μm、λ=1.7WK−1m−1、
−ファンホイールの材料はアルミニウムであり、λ=202WK−1m−1
−回転数:7200rpm(ファンホイールに関しては、両回転方向が考慮された。)
−ファンホイールは、円筒ケーシング内に装着された。円筒ケーシングの半径は、ホイールの半径よりも20mmだけ大きく、円筒ケーシングは両軸方向側に25mm延長されている。
−ケーシングの端面にわたって自由な、空気の流入及び流出。
−側壁は、流れの所定の付着条件を有する断熱式と仮定された。
−放射は考慮されなかった。
−計算は静止状態で行われた。オプトセラミックス中には均一な発生源が存在しており、そこに蓄えられる熱出力は、合計20Wであると仮定された。この仮定は、十分に高速で回転する変換器ユニットにおいて既に示されたように、正しいということが証明されている。
DM:円板の外径、
Tmax:オプトセラミックス内に生じる最高温度、
Afree sf:空気と接触する全表面積、
POC:全体として20Wが解放されるように、オプトセラミックスにおいて均一に規定された出力密度、
have:全ての露出した表面にわたって平均された、30℃に対する熱伝達係数:P=haveA(Tave−Tenv)。これにより、20Wとは異なる出力についても、想定すべき温度を見積もることができる。
Rtherm:周囲に対するオプトセラミックスの熱抵抗。
次に図7を参照して、変換器ユニット1が、共通の軸21に配置されて軸方向に間隔を置かれた、複数のホイール若しくは円板2,22a,22b,22cを有している実施形態を説明する。これらの円板の1つ(この場合は円板2)だけが変換器3を支持している、つまり支持体ホイールとして用いられている。図7に示した変換器ユニット1は、支持体ホイール2に加えて付加的に、3つの別の円板を有している。但し本発明では、一方が支持体ホイールとして変換器を支持する2つの円板を有するに過ぎない変換器ユニット、並びに4つ以上の付加的な円板を有する変換器ユニットも可能である。
図8を参照して、やはりファンホイールを基礎とする変換器ユニット1を説明する。本実施形態では、支持体ホイール2は2つの部分、即ち部分的に黒化されたミラー基板若しくはミラー支持体7と、ファン・冷却薄板16を備えた支持体ホイールの第2の部分とを有している。両部分は、良好に熱接触している。部分的に黒化されたミラー基板7は、例えば変換器の外側において粗面化され且つ黒化された金属のミラー基板であり、これにより、空気に対する熱伝達及び放射率が向上する。冷却空気は、開口18を介して、変換器とは反対の側に供給される。このことは、導光用の光学系が変換器の手前に配置されているシステム全体において、スペース上の理由から有利なことがある。また、この空気案内において、半径方向に空気を放出すると、変換器にダストが堆積しないように作用する。よって、本発明の有利な改良では、図8に示した特別な実施形態に限定することなく、支持体ホイール2がファンホイールとして形成されており、モータにより支持体ホイールが回転させられると、変換器ユニットの、変換器3に対向する側から空気が軸方向に吸い込まれることが想定されている。上述したように、このことは変換器ユニット1の、変換器3とは反対の側の開口18を介して行われてよい。
2 支持体ホイール
3 変換器
4 変換器3の周縁曲線
5 支持体ホイール2の中心点
6 プレート
7 部分的に黒化されたミラー基板
10 光源
11 駆動軸
12 モータ
13 発光エレメント
14 レーザ
16 冷却薄板
18 開口
21 軸
22a 円板
22b 円板
22c 円板
29 変換器3によって覆われていない面
30 光路
31,32,33 変換器3のセグメント
130 1次光線
131 ビームスポット
132 2次光
Claims (18)
- 光源用の変換器ユニット(1)であって、
軸回転可能な支持体ホイール(2)と、
該支持体ホイール(2)の一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器(3)と、を有し、該変換器(3)は、入射光を蛍光により別の波長の光に変換して出射し、
前記変換器(3)の外側の周縁曲線(4)によって取り囲まれた面積に対する前記変換器ユニット(1)の全面積の比率は、少なくとも3、好適には少なくとも3.5、特に好適には少なくとも4.5であることを特徴とする、光源用の変換器ユニット。 - 前記変換器(3)の前記周縁曲線(4)によって取り囲まれた面の面積に対する前記変換器ユニット(1)の全面積の比率は、50未満である、請求項1記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)の材料は、少なくとも50W/mKの熱伝導率を有している、請求項1又は2記載の変換器ユニット。
- 前記変換器ユニットの放熱量は、150WK−1m−2*Fを上回り、好適には180WK−1m−2*Fを上回り、特に好適には240WK−1m−2*Fを上回り、前記Fは、前記変換器の外側の周縁曲線によって取り囲まれた面積を、平方メートルで表すものである、請求項1から3までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)の、前記変換器(3)によって覆われていない面の少なくとも一部は黒化されている、請求項1から4までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)の、前記変換器によって覆われていない面(29)の少なくとも一部の放射率εは、0.1を上回り、特に0.7を上回り、特に好適には0.85を上回る、請求項1から5までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記変換器(3)は、オプトセラミックス、又は蛍光材料を備えるシリコーンを有している、請求項1から6までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記変換器(3)は、複数のセグメントで前記支持体ホイール(2)に取り付けられた、好適には接着又はろう接されたオプトセラミックスを有している、請求項7記載の変換器ユニット。
- 前記変換器ユニット(1)は、軸方向に相互間隔を置いて配置された少なくとも2つのホイールを有しており、これらのホイールのうちの1つが、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器(3)を有している、請求項1から8までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)は、ファンホイールとして形成されており、該ファンホイールを回転させるモータ(12)が設けられており、前記支持体ホイール(2)の回転時に、空気が軸方向に吸い込まれる、請求項1から9までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)は、ファンホイールとして形成されており、前記支持体ホイール(2)の回転時に、前記変換器ユニット(1)の、前記変換器(3)に対向する側から軸方向に空気が吸い込まれる、請求項10記載の変換器ユニット。
- 前記変換器(3)は、前記変換器ユニット(1)の光反射表面を覆っている、請求項1から11までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 前記支持体ホイール(2)の直径は、前記変換器(3)の前記周縁曲線の直径よりも、少なくとも1.5倍大きい、請求項1から12までのいずれか1項記載の変換器ユニット。
- 特に請求項1から13までのいずれか1項記載の変換器ユニット(1)を備える光源であって、前記変換器ユニット(1)は、
軸回転可能な支持体ホイール(2)と、
該支持体ホイール(2)の一方の側に取り付けられた、蛍光材料を備える又は蛍光材料を形成する変換器(3)とを有し、該変換器(3)は、入射光を蛍光により別の波長の光に変換して出射し、
前記光源は、前記変換器(3)上のビームスポット(131)を照射する発光エレメント(13)、並びに該発光エレメントによる照射中に、軸方向に支持された前記変換器ユニット(1)を回転させるモータを有し、前記変換器ユニット(1)が1回転すると、入射する前記発光エレメントの放射出力は、前記変換器(3)上の円形の光路(30)において分散され、
前記変換器(3)の前記外側の周縁曲線(4)によって取り囲まれた面の面積に対する前記変換器ユニット(1)の全面積の比率は、少なくとも3、好適には少なくとも3.5、特に好適には少なくとも4.5であることを特徴とする、特に請求項1から13までのいずれか1項記載の変換器ユニット(1)を備える光源。 - 前記円形の光路(30)の外縁によって取り囲まれた面積に対する前記変換器ユニット(1)の全面積の比率は、少なくとも3.3、好適には少なくとも4、特に好適には少なくとも5である、請求項14記載の光源。
- 前記光源はレーザ(14)を有する、請求項14又は15記載の光源。
- 前記光路(30)の外縁の直径は、前記変換器(3)の前記外側の周縁曲線(4)の直径の少なくとも0.8倍であり、好適には前記変換器(3)の前記外側の周縁曲線(4)の直径の少なくとも0.9倍である、請求項14から16までのいずれか1項記載の光源。
- 前記光源は、プロジェクタ、特に高出力プロジェクタである、請求項14から17までのいずれか1項記載の光源。
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