JP3700482B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードのような固体発光素子を用いた照明用の光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
通常の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、金属製リードフレーム上に実装されており、発光素子の実装部分をエポキシ樹脂にて埋め込んだ構造になっている。表面実装用のＬＥＤも、セラミックまたはエポキシべースの配線基板に実装し、エポキシ樹脂や射出成形用の樹脂で覆われている。
【０００３】
従来のＬＥＤはリード線から主に放熱している。すなわち、リード線から配線パターンへ熱を逃して、配線パターン上で放熱している。したがって、配線パターンを放熱板や照明器具筐体に接続すれば、放熱は良くなる。しかしながら、このようにすれば、照明器具筐体と発光素子が電気的に接続されていることになり、照明器具の絶縁耐圧が著しく低下する。この問題を解決するために、絶縁体を放熱経路のどこかに挿入すれば、結局、熱伝導が悪くなる。これは、熱伝導と電気伝導が共に自由電子に起因していることによる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子の熱を高効率で逃すために、発光素子を液体に浸漬するという手段を本発明者らは提案している。この発明は、発光素子を液体に浸漬することによって、液体に逃がした熱をいかにして、更に外部へ放出するかを課題とする。更に、照明器具の絶縁性を保ちながら、熱を伝え、効率良く放熱することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記の課題を解決するために、発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する流動性液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、発光素子を実装した基板以外の部分が一部、照明器具筐体と接合されており、液体中に浸漬する金属部分を別途設け、この金属部分を外部へ引き出して、照明器具筐体と接合したことを特徴とするものである。
【０００６】
この出願においては、発光素子を実装するものを基板と呼ぶ。ここで、考えている基板は、印刷配線基板である。したがって、配線基板と呼ぶこともある。また、発光素子が実装された配線基板と、冷却のための液体が収められた筐体全体を、光源装置又はモジュールと呼ぶ。この筐体には、光を取り出すために透明になっている部分があり、筐体の透光性部分と呼んでいる。この部分は、レンズ形状をしている場合が多いので、レンズと呼ぶこともある。この光源装置、あるいはモジュールと呼ばれるものは、それ自体では、ランプの一種なので、通常は、照明器具に入れられることが想定されている。モジュールが収められるものを照明器具筐体と呼んでいる。
【０００７】
放熱をするに当たり、熱は発光素子から発生するので、まず基板及び液体へ熱が伝わる。基板へ伝わった熱をそのままモジュール筐体や照明器具筐体に伝えようとして接続すると、電気的にも接続されてしまい、絶縁耐圧が低くなる恐れがある。そこで、一旦、液体に熱を伝えて、それをモジュール筐体などを経て、放熱する。このとき、基板から液体へ熱を良好に伝えるために、基板にフィンを設ける。さらに、液体からモジュール筐体へ良好に熱を伝えるために、モジュール筐体の内面にもフィンを設ける。このように、液体を媒介にすれば、熱輸送を良好にし、しかも絶縁性を確保することができる。
【０００８】
液体で冷却を行う場合に気化熱が利用できる。そこで、液面が発光素子の表面付近に来るようにしておけば、効率良く気化熱が奪われて、発光素子の冷却を促すことになる。また、液面を一定にするために液溜を設けたり、気化しやすい構造にしたりすることが考えられる。例えば、内部の圧力を大気圧よりも低くしたり、液体を空洞内に満たさず、液体の気化を可能とする隙間を設けたりすることが考えられる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の断面図である。発光素子１が実装された金属べース基板２が、筐体３に収納されており、内部にフロリナート（商品名）のような、絶縁性、不活性、流動性、透光性の液体４が封入されている。本実施例において、発光素子１からの熱輸送ルートは２つ有る。一つは、直接、液体４へ放熱されるもの、もう一つは、一旦、金属ベース基板２に伝導し、それが液体４に放出されるものである。ここで、熱伝導と熱輸送の違いを説明すると、熱輸送は、対流によって熱が奪われて行くことを含んでいる。熱伝導は基本的には物質の移動が無い。
【００１０】
筐体３には、外部へ光を取り出すためにレンズ５（透光性部分）が設けられており、このレンズ５を支持するための枠部分６を金属でつくり、その金属部分の内側にフィン７を設けている。また、液体４に放出された熱をモジュール外部へ効率良く放出するために、筐体３の内面にフィン８を設けている。これらのフィン７，８は、両方設けるのが良いが、片方でも良い。これらのフィン７，８と液体４の間で熱の交換がなされ、放熱には大きく寄与するが、液体４が電気的に絶縁性であるので、発光素子１と筐体３の絶縁性は保たれている。
【００１１】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２の断面図である。本実施例では、モジュール筐体を特に設けず、配線基板２にスペーサ（図示せず）などを用いてレンズ５を張り合わせた構造を用いる。このような構造においても、配線基板２に図３のようにフィン９を設けることで、基板２から液体４への放熱効果を高めることができる。なお、図２ではレンズ５が金属枠６で囲まれているが、図３では複数のレンズ５が一体成形されている。
【００１２】
（実施例３）
図４は本発明の実施例３の断面図である。実施例１で述べたようなモジュール筐体３を用いる方式においても、配線基板２にフィン１０を設けることによって、基板２からの放熱効果を高めることができる。この場合は、図のように背面に設けるのが効果的である。勿論、前面に設けても良いし、両面に設けても良い。
【００１３】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の断面図である。従来は、図６に示すように、放熱のために、金属ベース配線基板２を照明器具筐体１３へ直接接続したり、配線基板２そのものを筐体としていたため、筐体部と素子間の絶縁耐圧が、配線基板のベース金属と導体薄膜の間にある数十μｍの絶縁層で確保されているのみであった。本実施例では、図５に示すように、レンズ５を支持している枠部分６に金属を用い、これを外部へ引き伸ばし、照明器具筐体１３と接合する。これによって、絶縁耐圧を保ったまま、発光素子１で発生した熱を、照明器具筐体１３まで効率良く輸送することが可能である。レンズ５を支持している金属枠６と発光素子１を実装した基板２とは絶縁体１１により接合されている。１２は透明な窓、１４は枠部材、２２はリード線である。
【００１４】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５の断面図である。本実施例では、モジュール筐体３を有する構造において、液体４に触れる部分を貫通するように金属板１５を設ける。金属板１５の液体４に触れる部分は、熱交換の効率を高くするために、フィン１６を設けるなどすると、より効果的である。この金属板１５のモジュール筐体３外部に出た部分を照明器具筐体に接合する。発光素子１を実装した金属べース基板２が既に絶縁性のスペーサにてモジュール筐体３に接合されている場合は、この実施例で設けようとしている金属板１５は、モジュール筐体３と電気的にも絶縁を確保する必要が無いので、溶接などで強固に接着したり、あるいは、モジュール筐体３と一体化されていてもよい。発光素子１を実装した金属べース基板２が直接モジュール筐体３に接合されている場合は、電気的絶縁性を高めるために、この実施例で設けようとしている金属板１５は、モジュール筐体３と電気的にも絶縁を確保する必要がある。したがって、絶縁材料を用いて固定する必要がある。
【００１５】
（実施例６）
図８は本発明の実施例６の断面図である。本実施例では、モジュール筐体を設けない構造であり、支持部材として、穴の空いた金属板１７（あるいは格子状の金属板）を用いる。この金属板１７の開口部分は、レンズ５の位置と一致させている。この金属板１７をレンズ５と発光素子１の実装面の間に設置する。設置の便宜と絶縁性の観点からは、金属板１７はレンズ５の直下に設置されるのが適切である。
【００１６】
（実施例７）
実施例１〜４において、モジュール筐体３が配線基板２と電気的に絶縁されている場合には、モジュール筐体３を直接、照明器具筐体１３に接合しても差し支えない。照明器具筐体１３と発光素子１の間で十分な耐圧が取れるし、放熱も十分に行える構造になる。
【００１７】
（実施例８）
図９は本発明の実施例８の断面図である。垂直に立てて使用する光源装置、例えばブラケットなどにおいて、図のように、モジュール筐体３の上部に隙間１８（気化部）を設けて液体４を充填する。充填する液体は、沸点の低い液体で、例えば商品名フロリナートＦＣ−７２（沸点５６℃、気化熱８８Ｊ／ｇ）である。この液体が１ｍｌ蒸発すれば、数十Ｊの熱を液体から奪い、放熱部１９で熱交換して、落下してくる。これによって、数Ｗから数十Ｗの熱を効率良く放熱することができる。液体４の蒸発を促すために、図のように、配線基板２の上面の面積を広げ、液面が大きく接すると共に、液面が空気に接する面積（蒸発面積）も大きく取るようにする。また、モジュール筐体３の内部の圧力を大気圧よりも低くすることが好ましい。液体の純度が保たれる必要があり、液体の量がある程度確保できる方が好ましいので、液溜２０を設けてもよい。
【００１８】
（実施例９）
図１０は本発明の実施例９の断面図である。上述の実施例８では、垂直に設置するものについて述べたが、ここでは、下向きの配光特性のものを示す。これは、ダウンライトなどに用いる。配光特性が下向きの場合は、発光素子１の実装基板２の背面がすべて熱交換面になる。ここに、液体４を導き、上部を空洞１８にすれば、大きな蒸発面積を確保できる。液溜２０は設けるとすれば基板２の下部のどこかに設けることになる。本実施例では、図中の左下端に液溜２０を設けている。
【００１９】
（実施例１０）
図１１は本発明の実施例１０の断面図である。上述の実施例８では、垂直に設置するものについて述べたが、ここでは、上向きの配光特性のものを示す。これは、フットライトなどに用いる。配光特性が上向きの場合は、モジュール筐体３の周縁にフランジ部２１を設け、そこを気化室１８にする。また、図中、左端の気化室１８の下方に液溜２０を設けている。
【００２０】
（実施例１１）
図１２は本発明の実施例１１の断面図である。本実施例では、上述の実施例８〜１０において、発光素子１の発熱量が極めて大きい場合、発光素子１を液面のすぐ近くに配置するものである。この場合、液面の高さが変化して発光素子１の位置より低くなると、発光素子１が過熱するし、液面が上がりすぎると放熱の効果が小さくなる。そこで、図のように比較的大きな液溜２０を設ける。液溜２０の液体は基板２に設けた穴２２を通して基板２の前面との間で循環できる。図は垂直に設置したものについて示しているが、ベースアップ、べースダウンについても同様である。
【００２１】
（実施例１２）
図１３は本発明の実施例１２の断面図である。本実施例では、配線基板２のレジスト部や発光素子１が載る部分以外の導電層部に、多数の細かい溝を設け、その少なくとも一端を液体４に浸漬する。液体４は毛細管現象で基板２の表面に吸い上げられ、発光素子１の発熱で気化し、気化熱を奪い、発光素子１を冷却する。気化した液体は、発光装置内部で比較的温度の低い壁面で冷却されて、再び液化する。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１，２の発明によれば、照明器具の絶縁性を保ちながら、熱を伝え、効率良く放熱することができる。また、請求項３〜５の発明によれば、放熱用のフィンを設けたことにより、モジュール筐体と液体との熱交換効率が高くなり、放熱効果が増大し、発光効率が高くなる。なお、請求項６〜９の発明のように、液体の気化熱によって冷却する手段は、気化時に非常に大きな冷却効果があるが、気化できる液体の量、気体として気化室に存在できる気体の量に限界がある。従って、例えば、信号灯のように、数十秒から数分間隔で点滅するような用途に対して大きな効果が有る。即ち、点灯時には大きな冷却効果があるので、高効率、大光量が得られ、気化室の蒸気圧、気体の温度が限界点にまで高くなった頃に消灯するようになっていれば、この消灯時間中に、液化がおこり、元の低圧、低温状態に戻る。信号灯の点滅の間に、このサイクルが繰り返されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の断面図である。
【図２】本発明の実施例２の断面図である。
【図３】本発明の実施例２のさらに詳細な構造を示す断面図である。
【図４】本発明の実施例３の断面図である。
【図５】本発明の実施例４の断面図である。
【図６】従来例の断面図である。
【図７】本発明の実施例５の断面図である。
【図８】本発明の実施例６の断面図である。
【図９】本発明の実施例８の断面図である。
【図１０】本発明の実施例９の断面図である。
【図１１】本発明の実施例１０の断面図である。
【図１２】本発明の実施例１１の断面図である。
【図１３】本発明の実施例１２の断面図である。
【発明の効果】
１ 発光素子
４ 液体
７ フィン
８ フィン

Claims (9)

1. 発光素子が絶縁性かつ不活性で透光性を有する液体に浸漬されたランプモジュールにおいて、発光素子を実装した基板以外の部分が一部、照明器具筐体と接合されており、液体中に浸漬する金属部分を別途設け、この金属部分を外部へ引き出して、照明器具筐体と接合したことを特徴とする光源装置。
2. 前記金属部分は発光素子から電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
3. 請求項１または２において、前記金属部分の液体に接する部分にフィンが設けられていることを特徴とする光源装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、ランプモジュール筐体の透光性部分が金属枠で仕切られており、前記金属枠にフィンが設けられていることを特徴とする光源装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、発光素子を実装する基板として金属べース基板が用いられており、この金属べース基板にフィンが設けられていることを特徴とする光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記液体は沸点が８０℃以下の液体であることを特徴とする光源装置。
7. 請求項６において、液体を空洞内に満たさず、液体の気化を可能とする隙間を設けたことを特徴とする光源装置。
8. 請求項７において、発光素子を実装した基板の表面又は裏面又は両面に多数の細かい溝を設け、これを液溜に接続したことを特徴とする光源装置。
9. 請求項７または８において、内部の圧力を大気圧よりも低くしたことを特徴とする光源装置。

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