JP5210394B2 - 半導体光源を冷却するための装置および当該装置を備えたヘッドライト - Google Patents

Description

本発明は、半導体光源を冷却するための装置に関する。ここでこの半導体光源は熱伝導性モジュールの上に配置されている。このモジュールは、ヒートパイプの蒸発領域と作動接続されており、ヒートパイプの第１の凝縮領域は第１のヒートシンクと接続されている。この装置は例えば、全ての様式のヘッドライトに適している。しかし殊に自動車領域内のヘッドライトに適している。

以下で管状の装置をヒートパイプ（英語：Heat Pipe）と称する。これは作動液の蒸発／凝縮によって、大量の熱エネルギーを、その２つの終端の間で搬送することができる。

背景技術
ＵＳ２００４／２１３０１６Ａ１号から、自動車の光装置に対する冷却システムが公知である。この冷却システムは、半導体光源を、半導体光源から離れて位置しているヒートシンクを備えたヒートパイプを用いて冷却する。

ＷＯ２００６／５２０２２Ａ１号は、半導体光源を備えた自動車用ヘッドライトを開示する。これは、ヒートパイプを介して冷却される。ヒートシンクはここで、半導体光源の上方に、ヘッドライトの背面に位置付けされている。

しかし、次のような問題がある。すなわち、半導体光源の排出熱がしばしば、別の箇所で、加熱用の熱として必要とされる、という問題がある。しかし加熱は主に調整されるべきであるので、上述した装置はこのような場合には役に立たない。

発明が解決しようとする課題
本発明の課題は、半導体光源を冷却するための装置を提供することである。ここでこの半導体光源は、熱伝導性のモジュール上に配置されており、このモジュールはヒートパイプの蒸発領域と作動接続している。さらに蒸発管の凝縮領域は第１のヒートシンクと結合されている。さらにこの装置は同時に、熱エネルギー全体または一部を、他の用途に提供することができる。

本発明の別の課題は、半導体光源の冷却に用いられ、同時に、熱エネルギーの全体または一部を別の用途に供給する方法を提供することである。

発明の開示
上述の課題は装置に関しては、以下のような半導体光源冷却装置によって解決される。すなわちこの装置では半導体光源は、熱伝導性モジュール上に配置されている。このモジュールは、ヒートパイプの蒸発領域と作動接続されている。さらに、蒸発管の第１の凝縮領域は第１のヒートシンクと接続されている。ここでこのヒートパイプは、第２のヒートシンクを備えている第２の凝縮領域に接続されており、２つの凝縮領域内で熱流が切り換えられる。これによって、ヒートシンクのうちの１つを、別の目的のために、調整されている加熱部として使用することが可能になる。これによって、熱流は常に第２のヒートシンクに切り換え可能になり、これによって半導体光源の作動時に制限が生じない。第２のヒートシンクはここで次のように構成されている。すなわち第２のヒートシンクが、半導体光源の排出熱を常に吸収することができるように構成されている。

上述の課題はさらに、方法に関しては、請求項１６の特徴部分に記載された構成を有する方法によって解決される。

有利には、凝縮領域の切り換えは三方弁によって行われる。ここでこの三方弁は永久磁石から成る二重円錐体（Doppelkegel）を含んでいる。ここでその円錐先端はそれぞれ、凝縮領域の蒸発管を交互に閉鎖する。これは次のような利点を有している。すなわち常に冷却経路が開放されており、これによって過度の加熱による半導体光源の機能故障がなくなるという利点を有している。このような構造によって、二重円錐体を磁気的に駆動することが可能になる。この二重円錐体は密閉に関する問題を生じさせない。

択一的に２路弁も使用可能である。ここでは、１つ凝縮領域のみがオンおよびオフされる。これは次のような利点を有している。すなわち、第１の冷却経路が第１の凝縮領域内で常に開放され、第２の冷却路が第２の凝縮領域内に必要な場合に、付加接続される（hinzugeschaltet）という利点を有している。

有利には、二重円錐体は蒸発管だけを閉鎖し、ヒートパイプの毛細管領域は閉鎖しない。これによって、戻る方向に流れる作動液が再び、作動還流に達する。これによって、高い効果および作動安全性が得られる。二重円錐体の駆動部はこの場合には、ヒートパイプ外に配置されており、駆動は磁気的に行われる。ヒートパイプ外には通常は十分な場所が駆動部のために設けられており、磁気的な駆動によってシーリング手段は不要である。

第１の凝縮領域（２３）のヒートシンク（３３）はここで有利には、加熱装置と作動接続されている。これによって、発生した排出熱が有利には、別のタスクに使用される。

半導体光源のスイッチオン時に蒸発管は、有利には、第１の凝縮領域に対して開放されており、蒸発管は、第２の凝縮ゾーンに対して閉鎖されている。凝縮領域の切り換えは、第１の凝縮領域の温度に依存して行われる。これによって上述の加熱装置が調整されるように構成され、このような優位なスイッチングによって、半導体光源を冷却する装置の定められた作動が可能になる。

１つの実施形態では、半導体光源の電流供給はヒートパイプを介して行われる。これは、容易かつ確実な構造を可能にするという利点を有している。ヒートパイプを同軸状に構造化した場合には、容易かつ低コストの管が電流供給部として使用可能である。ここで、電流供給部の２つの極は、２つの同軸管によって構成される。

ヒートパイプに接続されているロゼット状の冷却体を有する、ヒートパイプに接続された半導体光源モジュールの斜視図である。これは従来技術に即した実施形態である。 処理されたヒートパイプの図示の終端部を備えた、切断されている半導体光源モジュールの図である。 ンプシェード内に組み込まれた、上述した装置の斜視図である。 本発明の、半導体光源を冷却するための装置の斜視図である。これは各凝縮領域に接続されている、依存していない２つのヒートシンクを有している。ここで凝縮領域間で切り換えが行われる。 半導体光源を冷却するための、本発明による装置の概略的な側面図である。 本発明による切り換え弁の斜視詳細図である。

次に、実施例に基づき本発明をより詳細に説明する。

発明の有利な実施形態
図１は、従来技術に即した、半導体光源を冷却するための装置の実施形態を示している。これは、凝縮領域を１つのみを有している。この凝縮領域は、ロゼッタ状の冷却体３１によって取り囲まれており、この冷却体は発生した凝縮熱を放熱する。マルチチップ発光ダイオード５（図示されていない）は、載置されているメインレンズ５１とともに、発光ダイオードモジュール１１上に取り付けられている。発光ダイオードモジュール１１は、良好な熱伝導性を有している材料から製造されている。これによって、マルチチップ発光ダイオード５の発生している損失熱が迅速かつ確実に放熱される。発光ダイオードモジュール１１は、ハウジング１３内に埋設されている。ここでこのハウジングは、発光ダイオードモジュール１１の他にさらに、マルチチップ発光ダイオード５に対する駆動制御エレクトロニクス１５を有している。ハウジング１３はここで、熱伝導性が不良な材料から構成されている。これによって、マルチチップ発光ダイオード５による駆動制御電子回路１５の温度負荷が最小化される。ヒートパイプ２０は、発光ダイオードモジュール１１から冷却体３１へと案内されている。

図２は、ハウジング１３を備えた発光ダイオードモジュール１１の断面図を示している。ヒートパイプ２０は、その蒸発側終端部２７によって、発光ダイオードモジュール１１内に組み込まれている。さらにヒートパイプは、マルチチップ発光ダイオード５まで達している。これによって、発生した損失熱ができるだけ効果的に搬出される。熱はヒートパイプから、蒸発する作動媒体を介して、凝縮領域内に搬送され、そこで冷却体３１（図２には図示されていない）によって吸収される。

図３は、反射シェード５３内に組み立てられた装置全体を示している。冷却体３１は、反射シェード５３の中央に取り付けられている。すなわち、生成された全ての熱は反射シェード５３へ導出される。

しかし従来技術に即した自動車用ヘッドライトではしばしば、ヘッドライトレンズが凍結するという問題が生じる。ヘッドライトレンズは冬場には暖められなければならない。暖めない場合には、対向車線のトラフィックに対して強い幻惑を生じさせてしまう氷の結晶が外側に残ってしまう。従って、発光ダイオードの排出熱を、ヘッドライトレンズを加熱するために使用することが行われている。しかし自動車用ヘッドライト前面の構造空間は限られており、暖かい環境におけるヘッドライトの作動時に発光ダイオードによって生成された熱エネルギーを常に完全に吸収するのに、この空間に取り付けられる冷却体の大きさが十分でないことがしばしばある。

図４は、上述の問題を解決する、半導体光源を冷却するための本発明による装置の斜視図を示している。この装置は、この場合には自動車用ヘッドライトである。ここでは、マルチチップ発光ダイオード５の排出熱が、ヒートパイプ２０を介して、凝縮領域２３へ導かれる。この凝縮領域は、ヒートシンク３３によって冷却され、これによってヘッドライトレンズ３７に熱が加えられる。半導体光源を冷却するための本発明の装置は、切り換え可能な２つのヒートシンク３３，３５を有している。この切り換えは、ヒートパイプ２０内の温度制御された弁によって実行される。第１のヒートシンク３３は、上述のように、例えばヘッドライトを解凍するための加熱部として用いられる。温度制御は優先的にこの課題が解決されるように構成されており、すなわち、ここで熱エネルギーが必要とされる間だけこのヒートシンク３３が作動中になる。目標温度に達すると、第２のヒートシンク３５に切り換えられる。第２のヒートシンクは、発生している熱流が常に、吸収されるように構成されている。

第２のヒートシンク３５はここで、十分に大きい冷却体であってよい。しかし、第２のヒートシンク３５を、既存の、または、このために設けられた冷却システムに接続してもよい。第２のヒートシンク３５はここで例えば、自動車の水冷却部に接続される。しかし、例えばペルティエ効果を有する部材を設けてもよい。この部材は、第２のヒートシンク３５に接続される。

ヒートパイプ２０は切り換え弁２１を有している。この切り換え弁によって、相応に接続されたヒートシンク３３，３５を有する２つの凝縮領域２３，２５間で切り換えが行われる。第１のヒートシンク３３はここで、ヘッドライト１のヘッドライトレンズ３７を中心としたリングとして構成されている。これによって、ヘッドライトレンズ３７が、悪天候時に、氷の結晶の形成が確実に阻止されるまで加熱される。ここで切り換え弁２１の制御は次のように行われる。すなわち、ヘッドライトレンズ３７を中心としたリングの温度が特定の温度に達すると、第２の凝縮ゾーン２５に切り換えが行われ、これによって、マルチチップ発光ダイオード５の効果的な冷却が保証され、ヒートシンク３３の過度の加熱が阻止されるように行われる。

マルチチップ発光ダイオード５への電流供給はここで、ヒートパイプ自体によって実行される。このヒートパイプは導電性材料、例えばアルミニウムまたは銅から成る。このような２つの導電性管が、その間で同軸状に絶縁部とともに、相互に噛み合って配置されている場合には、マルチチップ発光ダイオード５および、モジュール１１上に配置された電子回路に対して、低コストかつ頑丈な電流供給が行われる。

図５は、半導体光源を冷却するための、本発明による装置の概略的な側面図を示している。上述したように、切り換え弁２１は次のように制御される。すなわち、マルチチップ発光ダイオード５のスイッチオン後に、第１のヒートシンク３３を備えた第１の凝縮領域２３がアクティブになるように制御される。第１のヒートシンクが特定の温度に達すると、切り換え弁２１は、第２のヒートシンク３５を備えた第２の凝縮領域２５に切り換える。これはランプシェード５３の後方に配置されており、大きさから次のことが推定される。すなわち、これが発生している熱エネルギーをこれが常に吸収できることが推定される。低温の気象状況が原因で、温度が特定の温度に達しない場合、恒久的に、第１のヒートシンク３３がアクティブ状態に留まる。これによって、ヘッドライトレンズ３７上の氷結晶形成ができるだけ阻止される。

図６は、切り換え弁２１の概略的な詳細図を示している。これはＴ状の管部分から成る。この管部分内には永久磁石製の二重円錐体が収容されている。これは２つの円錐状部分４１１，４１２から成る。これらの円錐状部分は、底部で、相互に同じプロファイルまたは合同に配向されている。従って、これらの円錐先端は、反対方向を指している。２つの底面の間にはさらに、円柱状部分４１３が位置している。しかしこれらの底面が相互にずらして配置されて（図示されていない）、２つの底面の間に、円柱状の斜面が存在してもよい。円錐体４１１，４１２の底面が楕円形状または卵形状を有していてもよい（図示されていない）。多角形も、底面の形状として可能である。円錐体４１１，４１２は底面に相応に形成されている（図示されていない）。このような二重円錐体４１は、Ｔ状管部分の中央に位置している。切断された終端部には、ヒートパイプ２０の横断面が示されている。外側のスリーブは、気密性の管４７から成る。この内部には、多孔性の材料から成る毛細管４５が収容されている。毛細管４５内には蒸発管４３が位置している。二重円錐体の領域内では、毛細管は設けられない、または少なくとも壁の厚さがより弱く構成されている。二重円錐体４１の基本直径は、蒸発管４３の直径よりも大きい。二重円錐体４１の先端は、それぞれ、第１の凝縮領域２３および第２の凝縮領域２５を指している。円錐体４１は、蒸発管を完全に閉鎖するまで、蒸発管４３内に入り込む。毛細管４５は、これに接触されないままであるので、流れ戻ってくる作動液が再び、蒸発領域２７内に達する。これによって、ヒートパイプの効率的な作動が実現される。Ｔ状部分の外側には、適切に制御される電磁磁石が配置されている（図示されていない）。この電磁石は、駆動制御に応じて、永久磁石から成る二重円錐体４１を、第１または第２の凝縮領域２３，２５の蒸発管４３の終端部内に押しつけし、これが閉鎖される。このようにして、熱流が全体的に阻止されることなく、２つの冷却経路間で切り換えが行われる。三方弁２１としての構造によって、熱流が、凝縮領域２３，２５の１つにおいて常に保証される。

１ ヘッドライト、 １１ 良好な熱伝導性材料から成る発光ダイオードモジュール、 １３ ハウジング、１５ 駆動制御電子回路、 ２０ ヒートパイプ、 ２１ ヒートパイプの切り換え弁、 ３１ 冷却体、 ２３ 第１の凝縮領域、 ３３ 第２の凝縮領域のためのヒートシンク、 ２５ 第２の凝縮領域、 ２７ 蒸発領域、 ３５ 第２の凝縮領域のためのヒートシンク、 ３７ ヘッドライトレンズ、 ４１ 永久磁石製二重円錐体、 ４１１ 第１の円錐体、 ４１２ 第２の円錐体、 ４１３ 円錐体中央部材、 ４３ 蒸発管、 ４５ 毛細管、 ４７ 外側の気密管、 ５ マルチチップ発光ダイオード、 ５１ メインレンズ、 ５３ ランプシェード

Claims (16)

1. 半導体光源（５）を冷却するための装置であって、
   当該半導体光源（５）は熱伝導性モジュール（１１）上に配置されており、当該熱伝導性モジュールは、ヒートパイプ（２０）の蒸発領域（２７）と作動接続されており、
   当該ヒートパイプ（２０）の第１の凝縮領域（２３）は第１のヒートシンク（３３）と連結されている形式のものにおいて、
   前記ヒートパイプ（２０）は、少なくとも１つの第２の凝縮領域（２５）で、少なくとも１つの第２のヒートシンク（３５）と連結されており、前記第１の凝縮領域（２３）の温度に依存して前記凝縮領域（２３，２５）の間で熱流が切り換えられる、
   ことを特徴とする、半導体光源を冷却するための装置。
2. 前記装置は、前記凝縮領域（２３，２５）内への熱流を切り換えるために三方弁（２１）を有している、請求項１記載の装置。
3. 前記三方弁は永久磁石製の二重円錐体（４１）を含んでおり、円錐先端はそれぞれ、凝縮領域の蒸発管（４３）の終端を交互に閉鎖する、請求項２記載の装置。
4. 前記蒸発管（４３）の周りに同軸状に配置されている毛細管（４５）が常に開放されている、請求項３記載の装置。
5. 前記二重円錐体（４１）の駆動部は、前記ヒートパイプ（２０）の外側に配置されている、請求項３または４記載の装置。
6. 前記二重円錐体（４１）の駆動は磁気的に行われる、請求項３から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記半導体光源（５）の作動開始時には、蒸発管は第１の凝縮領域（２３）に対して開放されており、蒸発管は第２の凝縮領域（２５）に対して閉鎖されている、請求項３から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 当該装置は、前記第１の凝縮領域（２３）の温度に依存して、前記凝縮領域（２３，２５）内への熱流を切り換えるための装置を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記第２の凝縮領域内への熱流をオンおよびオフする二方弁を有しており、熱は第１の凝縮領域内へ常に流れることができる、請求項１記載の装置。
10. 前記ヒートパイプ（２０）は同時に、前記半導体光源（５）に対する少なくとも１つの電流供給部である、請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 当該電流供給は、少なくとも２つの同軸管を介して行われる、請求項１０記載の装置。
12. 前記第１の凝縮領域（２３）の前記ヒートシンク（３３）は、加熱装置と作動接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 請求項１２記載の装置を有するヘッドライト（１）であって、
    前記装置は、当該ヘッドライト（１）のヘッドライトレンズ（３７）を加熱するための加熱装置を有している、
    ことを特徴とするヘッドライト。
14. 前記第２の凝縮領域（２５）は、当該ヘッドライト（１）の下方に配置されており、走行風によって冷却される、請求項１３記載のヘッドライト（１）。
15. 前記第２の凝縮領域（２５）は、当該ヘッドライト（１）の後方に配置されている、請求項１３記載のヘッドライト（１）。
16. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置によって半導体光源（５）を冷却するための方法であって、
    ・作動開始時に、第１の凝縮領域（２３）をオンにし、
    ・前記第１の凝縮領域（２３）が所定の温度を上回ると、当該凝縮領域をオフにし、第２の凝縮領域（２５）をオンにし、
    ・前記第１の凝縮領域（２３）が所定の温度を下回ると、当該第１の凝縮領域（２３）へ切り換える、または前記第２の凝縮領域（２５）をオフにする、
    ことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の装置によって半導体光源（５）を冷却するための方法。

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