(57)【要約】  独特の構成を有する照明システムが提供される。たとえば、照明システムは、光源と、熱管理システムと、ドライバエレクトロニクスとを含むことができ、それぞれは、ハウジング構造内に収容される。光源は、ハウジング構造内の開口を通して見える照光を提供するように構成される。熱管理システムは、光源を冷却するために、ハウジング構造を通して単方向空気流などの空気流を提供するように構成される。ドライバエレクトロニクスは、光源および熱管理システムのそれぞれに電力を提供するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明システムであって、
ハウジング構造と、
前記ハウジング構造内の開口を通して見える照光を提供するように構成された光源と、
前記ハウジング構造を通して単方向空気流を提供するように構成された熱管理システムと、
前記光源および前記熱管理システムのそれぞれに電力を提供するように構成されたドライバエレクトロニクスとを備える照明システム。
【請求項２】
前記ハウジング構造は、
ケージであって、ケージ内にスロットを有し、前記ドライバエレクトロニクスを収容するように構成された、ケージと、
前記熱管理システムを収容するように構成され、また、複数の空気ポートであって、複数の空気ポートの少なくとも１つのポートは周囲空気を伴出するように構成され、複数の空気ポートの少なくとも別のポートは、前記照明システムから前記周囲空気へ暖められた空気を捨てるように構成される、複数の空気ポートを有する熱管理システムハウジングと、
面板であって、面板を貫通して形成された開口を有する、面板とを備える請求項１記載の照明システム。
【請求項３】
前記光源は、少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備える請求項１記載の照明システム。
【請求項４】
前記光源は、アレイで配列された１９個の青色発光ダイオードを備える請求項１記載の照明システム。
【請求項５】
ヒートシンクと、
複数の合成ジェットデバイスと、
周囲空気を吸入し、排気するように構成されたダクトを備えるダクトシステムとを備える請求項１記載の照明システム。
【請求項６】
前記ヒートシンクは、ベース部および前記ベース部から延在する複数のフィンを備え、前記複数のフィンは、前記複数のフィンの間に複数の空気ギャップを提供する請求項１記載の照明システム。
【請求項７】
前記複数のフィンの少なくとも１つのフィンは、前記フィンに結合した前記複数の合成ジェットデバイスの１つの合成ジェットデバイスを有する請求項６記載の照明システム。
【請求項８】
前記合成ジェットデバイスが起動されると、前記複数のフィンのそれぞれの長さを通って、前記複数の空気ギャップのそれぞれに沿って、単方向空気流経路が提供される請求項７記載の照明システム。
【請求項９】
前記ドライバエレクトロニクスは、発光ダイオード（ＬＥＤ）電源および合成ジェット電源を備える請求項１記載の照明システム。
【請求項１０】
前記ＬＥＤ電源および前記合成ジェット電源はそれぞれ、単一プリント回路基板上に配列される請求項９記載の照明システム。
【請求項１１】
照明システムであって、
照明板の表面上に配列された発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイと、
前記ＬＥＤのアレイ上に配列された熱管理システムとを備え、前記熱管理システムは、複数の合成ジェットデバイスを備え、前記複数の合成ジェットデバイスはそれぞれ、前記照明板の前記表面に平行な方向にジェットストリームを生成するように構成される照明システム。
【請求項１２】
前記熱管理システムの上に配列され、前記熱管理システムおよび前記発光ダイオードのアレイのそれぞれに電力を提供するように構成されたドライバエレクトロニクスを備える請求項１１記載の照明システム。
【請求項１３】
前記ドライバエレクトロニクスは、単一基板上に収容される請求項１２記載の照明システム。
【請求項１４】
前記発光ダイオードのアレイは、１９個以下の発光ダイオードを備える請求項１１記載の照明システム。
【請求項１５】
照明システムを標準ソケットに電気結合するように構成されたねじベース構造を備える請求項１１記載の照明システム。
【請求項１６】
少なくとも約１５００ルーメンを生成するように構成される請求項１１記載の照明システム。
【請求項１７】
前記熱管理システムは、熱伝導ベース部および前記ベース部の表面から延在する複数の熱伝導フィンを有するヒートシンクを備える請求項１１記載の照明システム。
【請求項１８】
複数の合成ジェットデバイスのある合成ジェットデバイスは、前記複数の熱伝導フィンのそれぞれに結合される請求項１１記載の照明システム。
【請求項１９】
照明システムを冷却する方法であって、
前記照明システムの平坦表面上に配列された複数の照明要素を照光すること、
前記複数の照明素子からヒートシンクに熱を伝達すること、および、
前記照明システムの外側のエリアから前記照明システムを通って、元の前記照明システムの前記外側のエリアに出るように空気を押しやることを含む方法。
【請求項２０】
空気を押しやることは、複数の合成ジェットデバイスを利用して、複数の合成ジェット流を生成することを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記ヒートシンクは複数のフィンを備え、空気を押しやることは、前記複数のフィンのそれぞれの間で空気を押しやることを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
照光することは、複数の発光ダイオードを少なくとも約１５００ルーメンまで照光することを含む請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の照明素子を照光すること、および、前記空気を押しやることは、単一基板上に配列され、ユーティリティグリッドによって電力供給されるエレクトロニクスによって容易にされる請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
照明システムであって、
標準光ソケットに電気結合するように構成されたエジソン口金と、
光源と、
熱管理システムであって、
受動冷却部品、および、
能動冷却部品を備える、熱管理システムとを備える照明システム。
【請求項２５】
前記光源は複数のＬＥＤを備える請求項２４記載の照明システム。
【請求項２６】
前記受動冷却部品は、前記光源に接触状態で配列されたベース部および前記ベース部から延在する複数のフィンを備えるヒートシンクを備える請求項２４記載の照明システム。
【請求項２７】
前記能動冷却部品は、合成ジェットデバイスのアレイを備える請求項２４記載の照明システム。
【請求項２８】
前記受動冷却部品は、前記光源に接触状態で配列されたベース部および前記ベース部から延在する複数のフィンを備えるヒートシンクを備え、前記能動冷却部品は、合成ジェットデバイスのアレイを備え、各合成ジェットデバイスは、前記複数のフィンの各対のフィン間に空気流を生成するように構成される請求項２４記載の照明システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、照明システムに関し、より詳細には、熱システムを有する照明システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高効率照明システムは、白熱または蛍光照明などの従来のエリア照明源と競合するために、絶えず開発されている。発光ダイオード（ＬＥＤ）が、従来からサイネージ用途において実装されてきたが、ＬＥＤ技術の進歩は、一般エリア照明用途でこうした技術を使用することに対する関心を促進した。ＬＥＤおよび有機ＬＥＤは、電気エネルギーを光に変換する固体半導体デバイスである。ＬＥＤは、電気エネルギーを光に変換するために無機半導体層を実装するが、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）は、電気エネルギーを光に変換するために有機半導体層を実装する。ＬＥＤおよびＯＬＥＤを実装する一般エリア照明を提供することにおけるかなりの開発が行われてきた。
【０００３】
ＬＥＤ用途における１つの考えられる欠点は、使用中に、ＬＥＤの電気のかなりの部分が、光ではなく熱に変換されることである。ＬＥＤ照明システムから、熱が効果的に除去されない場合、ＬＥＤは、高温で働き、それにより、効率が低下し、ＬＥＤ照明システムの信頼性が減少する。所望の輝度が必要とされる一般エリア照明用途でＬＥＤを利用するために、ＬＥＤを能動的に冷却するための熱管理システムが考慮されることができる。一般エリア照明用途のために十分にコンパクトで、軽量で、効率的で、明るいＬＥＤベース一般エリア照明システムを提供することは難題である。ＬＥＤによって生成される熱を制御するための熱管理システムを導入することが有益である可能性があるが、熱管理システムはそれ自体、いくつかのさらなる設計難題ももたらす。
【発明の概要】
【０００４】
一実施形態では、照明システムが提供される。照明システムは、ハウジング構造を含む。照明システムはさらに、ハウジング構造内の開口を通して見える照光を提供するように構成された光源を含む。照明システムはさらに、ハウジング構造を通して単方向空気流を提供するように構成された熱管理システムを含む。さらに、照明システムは、光源および熱管理システムのそれぞれに電力を提供するように構成されたドライバエレクトロニクスを含む。
【０００５】
別の実施形態では、照明板の表面上に配列された発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを含む照明システムが提供される。照明システムはさらに、ＬＥＤのアレイ上に配列された熱管理システムを含み、熱管理システムは、複数の合成ジェットデバイスを備え、複数の合成ジェットデバイスはそれぞれ、照明板の表面に平行な方向にジェットストリームを生成するように構成される。
【０００６】
別の実施形態では、照明システムを冷却する方法が提供される。方法は、照明システムの平坦表面上に配列された複数の照明要素を照光すること、複数の照明素子からヒートシンクに熱を伝達すること、および、照明システムの外側のエリアから照明システムを通って、元の照明システムの外側のエリアに出るように空気を押しやることを含む。
【０００７】
別の実施形態では、照明システムが提供され、照明システムは、標準光ソケットに電気結合するように構成されたエジソン口金（Ｅｄｉｓｏｎ  ｂａｓｅ）と、光源と、熱管理システムとを含む。熱管理システムは、受動冷却部品、および能動冷却部品を含む。
【０００８】
本発明のこれらのまた他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照して読まれると、よりよく理解される。図面では、同じ符号は、図面全体を通して同じ部品を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態による照明システムのブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による照明システムの斜視図である。
【図３】本発明の実施形態による図２の照明システムの分解図である。
【図４】本発明の実施形態による図２および図３の照明システムの熱管理システムの空気流を示す図である。
【図５】本発明の実施形態による図２および図３の照明システムの光源の斜視図である。
【図６】本発明の実施形態による図５の光源のレイアウト設計を示す図である。
【図７】本発明の実施形態による図５の光源に電力を提供するように構成された回路の略図である。
【図８】本発明の実施形態による図５の熱管理システムに電力を提供するように構成された回路の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、一般に、ＬＥＤベースのエリア照明システムに関する。新規な照明器具は、ドライバエレクトロニクス、ＬＥＤ光源、および、合成ジェットを含む能動冷却システムを備える。一実施形態では、照明システムは、標準的な６”（１５．２ｃｍ）ハローに収まり、ランプとハローとの間に約０．５”（１．３ｃｍ）を残す。あるいは、照明システムは、用途に応じて異なるようにスケーリングされることができる。今述べた実施形態は、９０％のドライバエレクトロニクス効率で約１５００ルーメン（ｌｍ）を生成する光源を提供し、エリア照明用途で有用であるとすることができる。熱管理システムは、空気流を照明システムに出入りするように提供する合成ジェット冷却を含み、ＬＥＤ接合部温度が、開示される実施形態の場合、１００℃未満に留まることを可能にする。１５００ｌｍに達するために、開示される光源は、約３０００°ケルビンの相関色温度（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ  ｃｏｌｏｒ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）（ＣＣＴ）および８２を超えるカラーレンダリングインデックス（ｃｏｌｏｒ  ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ  ｉｎｄｅｘ）（ＣＲＩ）をもたらす青色ＬＥＤと蛍光体の混合物を利用する。たとえば、一実施形態では、光源は１９個のＬＥＤを利用することができる。
【００１１】
有利には、一実施形態では、照明システムは、電気グリッドに接続される従来のねじ付き口金（すなわち、エジソン口金）を使用する。電力は、同じドライバエレクトロニクスユニットによって、熱管理システムおよび光源に適切に供給される。一実施形態では、光源のＬＥＤは、５００ｍＡおよび５９．５Ｖで駆動され、一方、熱管理システムの合成ジェットは、２００Ｈｚおよび６４Ｖ（ピーク−ピーク）未満で駆動される。ＬＥＤは、全部で１５００を超える定常状態フェースルーメンを提供し、それは、一般エリア照明用途にとって十分である。以下で述べる示す実施形態では、ＬＥＤを能動的に冷却すると共に、受動的に冷却するために、５つの合成ジェットデバイスが設けられて、複数のフィンを有するヒートシンクおよび空気ポートと共に働く。述べるように、合成ジェットデバイスは、所望の電力レベルで励起されて、ＬＥＤの照光中に適切な冷却を提供する。
【００１２】
したがって、本発明の実施形態は、従来のシステムと比較して、減少した数のＬＥＤを利用してエリア照明用途について所望のレベルの光を効率的に提供することが可能な、独特でコンパクトな照明システムを提供する。開示される熱管理システムは、ハウジング構造の外側から照明システムを通って、元の周囲空気内に空気流を提供する。一実施形態では、空気流は、以下でさらに述べるように単方向である。以下で述べる受動ヒートシンクおよび空気ポートと共に、合成ジェットの能動冷却技術を使用することによって、本発明の実施形態は、減少した数のＬＥＤによって、１５００ルーメンを生成することが可能な安価な照明システムを提供する。
【００１３】
ここで図１を参照して、本発明の実施形態による照明システム１０を示すブロック図が示される。一実施形態では、照明システム１０は、高効率固体ダウンライト照明器具とすることができる。一般に、照明システム１０は、光源１２と、熱管理システム１４と、光源１２および熱管理システム１４のそれぞれを駆動するように構成されたドライバエレクトロニクス１６とを含む。以下でさらに論じるように、光源１２は、一般エリア照明に適したダウンライト照光を提供するように配列された複数のＬＥＤを含む。一実施形態では、光源１２は、１００℃接合部温度において、７５ｌｍ／Ｗ、ＣＲＩ＞８０、ＣＣＴ＝２７００ｋ〜３２００ｋ、５０，０００時間寿命で、少なくとも約１５００フェースルーメンを生成することが可能であるとすることができる。さらに、光源１２は、色検知およびフィードバックならびに角度制御を含むことができる。
【００１４】
以下でさらに述べるように、熱管理システム１４は、ＬＥＤ接合部温度が、通常動作条件下で１００℃未満に留まるように、ＬＥＤを冷却するように構成される。一実施形態では、熱管理システム１４は、照明システム１０について所望の冷却および空気交換を提供するように連携して働くように構成される、合成ジェットデバイス１８、ヒートシンク２０、および空気ポート２２を含む。
【００１５】
ドライバエレクトロニクス１６は、ＬＥＤ電源２４および合成ジェット電源２６を含む。以下でさらに述べるように、一実施形態によれば、ＬＥＤ電源２４および合成ジェット電源２６はそれぞれ、プリント回路基板（ＰＣＢ）などの、同じシステム基板上に存在する複数のチップおよび集積回路を備え、ドライバエレクトロニクス１６用のシステム基板は、光源１２ならびに熱管理システム１４を駆動するように構成される。
【００１６】
ここで図２を参照して、照明システム１０の一実施形態の斜視図が示される。一実施形態では、照明システム１０は、電力グリッドに結合される従来のソケットに接続されることができる従来のねじ付き口金（エジソン口金）３０を含む。システム部品は、ハウジング構造３２と一般に呼ばれるハウジング構造内に収容される。図３に関してさらに述べ示すように、ハウジング構造３２は、光源１２、熱管理システム１４、およびドライバエレクトロニクス１６の内部部分を支持し保護するように構成される。
【００１７】
一実施形態では、ハウジング構造３２は、ケージ３４を通して空気スロット３６を有するケージ３４を含む。ケージ３４は、エレクトロニクス基板上に配設されたドライバエレクトロニクス１６を有するエレクトロニクス基板を保護するように構成される。ハウジング構造３２はさらに、熱管理システム１４の部品を保護するために熱管理システムハウジング３８を含む。一実施形態によれば、熱管理システムハウジング３８は、以下でさらに述べるように、空気ポート２２が、熱管理システム１４内の合成ジェットによって、照明システム１０に出入りするように周囲空気が流れることを可能にするように形作られる。さらに、ハウジング構造３２は、光源１２を支持し保護するように構成された面板４０を含む。図３で示し述べるように、面板４０は、開口を含み、開口は、照光されると、ＬＥＤ４２が一般エリアダウン照明を提供するように、光源１２のＬＥＤ４２および／または光学部品の面が照明システム１０の下側に露出されることを可能にするようにサイズ決定され形作られる。
【００１８】
ここで図３を考えて、照明システム１０の分解図が示される。先に述べ示したように、照明システム１０は、ケージ３４、熱管理システムハウジング３８、および面板を含むハウジング構造３２を含む。組み立てられると、ハウジング構造３２は、ケージ３４、熱管理システムハウジング３８に係合するように構成されたねじ４４、および複数のナット４６などの保持機構によって固定される。一実施形態では、面板４０は、照明システム１０のベースに摩擦係合するようにサイズ決定され形作られ、かつ／または、さらなるねじなどの別の締結機構（図示せず）によって固定される。面板４０内の開口４８は、光源１２の下側に配置されたＬＥＤ４２が開口４８に対して見えるようにサイズ決定され形作られる。光源１２はまた、熱管理システム１４の下側に係合するように構成されたピン５０などの締結部品を含むことができる。認識されるように、任意の種々の締結機構が、ハウジング構造３２内で照明システム１０の部品を固定するために含まれることができ、それにより、使用のために組み立てられると、照明システム１０は単一ユニットになる。
【００１９】
先に述べたように、ケージ３４内に収容されるドライバエレクトロニクス１６は、プリント回路基板（ＰＣＢ）５４などの単一基板上に搭載された複数の集積回路部品５２を含む。認識されるように、集積回路部品５２などの、ＰＣＢ５４上に搭載された部品を有するＰＣＢ５４は、プリント回路組立体（ＰＣＡ）を形成する。慣例的に、ＰＣＢ５４は、保護ケージ３４内に収まるようにサイズ決定され形作られる。さらに、ＰＣＢ５４は、ドライバエレクトロニクス１６、熱管理システムハウジング３８、およびケージ３４が機械的に共に結合されるように、ねじ４４を受取るように構成されたスルーホール５６を含む。今述べた実施形態によれば、光源１２ならびに熱管理システム１４のための電力を提供するように構成されたエレクトロニクスは全て、熱管理システム１４および光源１２の上に配置される単一ＰＣＢ５４上に収容される。そのため、本設計によれば、光源１２および熱管理システム１４は、同じ入力電力を共有する。
【００２０】
示す実施形態では、熱管理システム１４は、ねじ６２によってベース６０に結合される複数のフィン５８を有するヒートシンク２０を含む。認識されるように、ヒートシンク２０は、ＬＥＤ４２によって生成される熱が消散されるための熱伝導経路を提供する。ヒートシンク２０のベース６０は、ＬＥＤ４２からの熱がヒートシンク２０のベース６０に伝達されるように、光源１２の裏側に寄りかかるように配列される。フィン５８は、ベース６０から垂直に延在し、互いに平行に延びるように配列される。
【００２１】
熱管理システム１４はさらに、ヒートシンク２０のフィン５８上に搭載されることができる複数の合成ジェットデバイス１８を含む。認識されるように、各合成ジェットデバイス１８は、ＬＥＤ４２のさらなる冷却を提供するための合成ジェット流を提供するように構成される。各合成ジェットデバイス１８は、合成ジェット電源２６によって駆動されるように構成される振動板６４を含み、それにより、振動板６４は、中空フレーム６６内で前後に高速に移動して、フィン５８とヒートシンク２０との間のギャップを通して送られることになる空気ジェットを、フレーム６６内の開口を通して生成する。合成ジェットデバイス１８は、各合成ジェットデバイス１８を各フィン５８に固定するためにピン６９が使用されるように、合成ジェットデバイス１８を貫通するホールを有するタブ６８を含むことができる。熱管理システム１４およびこれらの合成ジェットデバイス１８によって生成される単方向空気流は、図４に関して以下でさらに述べられる。
【００２２】
ここで図４を参照して、熱管理システム１４のいくつかの細部を示すために、照明システム１０の部分断面図が提供される。先に論じたように、熱管理システム１４は、合成ジェットデバイス１８、ヒートシンク２０、および空気ポート２２を含む。ヒートシンク２０のベース６０は、ＬＥＤ４２からヒートシンク２０へ熱が受動的に伝達されうるように、下にある光源１２と接触状態で配列される。合成ジェットデバイス１８のアレイは、ヒートシンク２０のフィン５８に沿って、熱伝達の線形伝達を能動的に補助するように配列される。示す実施形態では、１つの合成ジェットデバイス１８は、平行なフィン５８の間のギャップによって提供される凹所内に配置される。合成ジェットデバイス１８は、電力供給されて、フィン５８の間に、ヒートシンク２０の内部の単方向空気流を生成し、それにより、周囲エリアからの空気は、ポート２２Ａの１つのポート２２Ａを通してダクト内に伴送され、ヒートシンク２０からの暖かい空気は、他のポート２２Ｂを通して周囲空気内に吐出される。フィンギャップを通してポート２２Ａに入りまたポート２２Ｂから出る単方向空気流は、全体を空気流矢印７０で示される。有利には、単方向空気流７０は、ダウンライトシステムの熱管理の設計における懸念についての主な原因である、照明システム１０内での熱蓄積を防止する。代替の実施形態では、合成ジェットデバイス１８によって生成される空気流は、たとえば、輻射型または衝突型とすることができる。今述べた熱管理システム１４は、約３０Ｗの熱発生で１００℃未満のＬＥＤ接合部温度を実現することが可能である。
【００２３】
認識されるように、合成ジェットデバイス１８などの合成ジェットは、柔軟構造および空気が通過する小さなオリフィスによって閉囲されるあるキャビティまたはある容積の空気を含むゼロ正味質量流量（ｚｅｒｏ−ｎｅｔ−ｍａｓｓｆｌｏｗ）デバイスである。その構造は、周期的に変形するようにさせられ（ｉｎｄｕｃｅ）、オリフィスを通して空気の対応する吸引および排出をもたらす。合成ジェット１８は、その外部流体、ここでは周囲空気に正味の正の運動量を与える。各サイクル中に、この運動量は、ジェットオリフィスから遠くに出る自己対流型（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｖｅｃｔｉｎｇ）渦対（ｖｏｒｔｅｘ  ｄｉｐｏｌｅ）として現れる。渦対は、その後、冷却される表面、ここでは下にある光源１２に衝当し、境界層を乱し、熱を対流させて、その供給源から遠ざける。定常状態条件にわたって、この衝当メカニズムは、加熱された部品の近くに循環パターンを生成し、熱い空気と周囲流体との間の混合を容易にする。
【００２４】
一実施形態によれば、各合成ジェットデバイス１８は、逆位相で（ｏｕｔ  ｏｆ  ｐｈａｓｅ）励起され、オリフィスを有する薄い弾性壁によって分離された２つの圧電ディスクを有する。この特定の設計は、開示される設計の試験中に実質的な冷却の向上を立証した。合成ジェットの動作条件が、照明用途において実用的であるように選択されるべきであることを留意することが重要である。圧電部品は、圧電ブザー要素と同様である。照明器具内で合成ジェットデバイス１８を保持するパッケージは、合成ジェットの動きを機械的に制約することなく、冷却効果が最大になるように合成ジェットデバイス１８を配向させるべきである。合成ジェットデバイス１８の冷却性能および動作特性は、作動のために使用される圧電材料における電気機械的結合を含む、いくつかの物理領域間の相互作用、圧電作動に対する柔軟ディスクの機械応答についての構造力学、および空気流７０のジェットについての流体力学および熱伝達による。精巧な有限要素（ＦＥ）および数値流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアプログラムが、合成ジェット設計および最適化のために連成した物理（ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｈｙｓｉｃｓ）をシミュレートするためにしばしば使用される。
【００２５】
ここで図５を参照して、本発明の一実施形態による光源１２が示される。示すように、光源１２は、板７２上に配列された複数のＬＥＤ４２を含む。一実施形態によれば、光源１２は、十九（１９）の青色ＬＥＤ４２を含むことができる。たとえば、各青色ＬＥＤは、ＣＲＥＥ  ＥＺ１０００、４７０ｎｍチップとすることができる。各ＬＥＤ４２は、暖色光変換のためにＹＡＧ蛍光体を利用する。各ＬＥＤ４２はまた、中間シリコーン成形ランバートレンズを含むことができる。今述べたレイアウトは、試験され、１９個の青色ＬＥＤ４２によって、５５ＬＰＷ、３０００Ｋ、および８２のＣＲＩにおいて、２５°の半値幅の光学部品が可能である状態で、１５００ｌｍをもたらした。認識されるように、光源１２は、非常に熱伝導性が高い界面によってヒートシンク２０に熱的に連通している。
【００２６】
認識されるように、種々のタイプのＬＥＤ４２が使用されることができる。さらに、ドライブ能力の増加に伴って、光源１２内のＬＥＤ４２の数は、減少する場合がある。一般に、ベアダイとして設けられるＬＥＤ４２を利用することは、小さな光源１２、減少した光学サイズ、および個々のＬＥＤ４２の容易な相互交換可能性を実現する。図６は、図５の実施形態で利用される、光源１２の１つの設計レイアウトを示す。示すように、それぞれの個々のＬＥＤ４２は、ＬＥＤアレイの総合フットプリントを最小にするために、六角形フットプリント７４上に配置され、ハニカムパターンで配列されることができる。一実施形態によれば、アレイ（ＣA）の周長は、ほぼ７５ｍｍに等しい。板７２（ＣP）の周長は、約１３０ｍｍとすることができる。さらに、長い幅（ＷL）および短い幅（ＷS）は、それぞれ、約５７ｍｍおよび４９．５ｍｍに等しいとすることができる。認識されるように、ＬＥＤ４２および全体の光源１２の種々のサイズおよび寸法が使用されることができる。
【００２７】
先に述べたように、ドライバエレクトロニクス１６は、ＬＥＤ電源２４および合成ジェット電源２６を含む。一実施形態では、ドライバエレクトロニクス１６の各部品用のエレクトロニクスは、単一プリント回路基板５４上に設けられる（図３）。ドライバエレクトロニクス１６についての任意の数の設計が、ＬＥＤ４２を使用して少なくとも約１５００ｌｍを提供することが可能な高効率照明システム１０という所望の結果を達成するために使用されることができる。以下でさらに述べるように、図７は、ＬＥＤ電源２４の一実施形態を示し、図８は、合成ジェット電源２６の一実施形態を示し、それらの電源は、本発明の実施形態で使用するために試験され、また、光源１２および熱管理システム１４を駆動するのに容認できることがわかった。
【００２８】
具体的には、図７の示す略図は、照明システム１０が、９０％を超える効率、０．９以上の力率、入力ＡＣ電圧と出力電圧との間のガルバニック絶縁、および６０Ｈｚで１２０Ｖ  ＲＭＳの入力電圧を有するように、光源１２を駆動することが可能である。よく知られているように、示すＬＥＤ電源２４は、フライバックコンバータトポロジを含む。フライバックトポロジは、絶縁を提供し、同様に、構成変圧器の巻数比を通して電圧変換比の調整を可能にする。ＬＥＤ電源回路２４のスイッチング周波数は、受動部品のサイズの低減に影響を及ぼすために、１００台の低いｋＨｚで選択されうる。図８の回路は、上述した熱管理システム１４の合成ジェット１８について十分なドライブ条件を提供するときに容認できることがわかった。光源１２および熱管理システム１４のそれぞれを駆動するための好ましいシステム要件を満たすために、任意の数の回路が、照明システム１０で使用されることを当業者は認識するであろう。
試験データおよび例示的な回路設計
ＬＥＤ電源２４について容認できる回路設計を選択するときに、以下のパラメータを満たす設計が考えられる。
【００２９】
・≧９０％の効率
・商業用途の場合≧０．９、住宅用途の場合≧０．７の力率
・６０Ｈｚで１２０Ｖ  ＲＭＳの入力電圧
・入力ＡＣ電圧と出力電圧との間のガルバニック絶縁
・約＄１０である供給コスト
設計パラメータに基づいて、図７に示すフライバックコンバータトポロジが、ＬＥＤ電源２４について選択された。フライバックコンバータ回路８０は、照明用途で使用されるよく理解されているトポロジである。この回路の信頼性は、よく理解されており、大量生産におけるこの回路用の調達部品は、費用効果的であると予想される。フライバックトポロジは、絶縁を提供し、同様に、構成変圧器の巻数比を通して電圧変換比の調整を可能にする。回路のスイッチング周波数は、受動部品のサイズの低減に影響を及ぼすために、１００台の低いｋＨｚで選択されうる。
【００３０】
フライバックコンバータの基本回路８０は、図７に示される。回路８０は、電磁干渉（ＥＭＩ）フィルタ８２、ダンピング網８４、ＡＣ入力電圧を整流する整流器８６、および変圧器８８を含む。フライバック変圧器８８は、入力電圧（ピーク電圧Ｖiを有する）を、ＬＥＤ４２用のＤＣ電圧Ｖ0、ならびに、ハウスキーピング回路（図示せず）に電力供給する補助エレクトロニクスおよび同様に合成ジェット１８のための電力エレクトロニクス２６用のＶccに変換する。スイッチＱ1（ここでは、以下でさらに述べるＭＯＳＦＥＴ９０）は、関心のスイッチング周波数ｆswで動作する。フライバックコンバータ８０の伝達関数は、
【００３１】
【数１】
2013520768.tif 000003
であり、式中、ＮpおよびＮsは、フライバック変圧器８８の１次巻数および２次巻数であり、Ｄは、スイッチＱ1を動作させるデューティサイクルである。このコンバータ８０の設計における１つの重要な考慮事項は、動作中に高い力率を維持する能力であった。不連続動作モードで動作するフライバックコンバータは、自然力率１を達成する。たとえば、デューティサイクルＤ1および期間Ｔで動作するフライバックコンバータ８０の簡単な場合が示されることができる。フライバックコンバータ８０が不連続動作モードで動作する場合、磁化インダクタンスＬ内の電流は、スイッチＱ1がオンの期間中、ピーク値ｉpkまで直線的にランプアップし、その後、スイッチＱ1がオフのとき、ゼロまで直線的にランプダウンすることになる。インダクタが適切にサイズ決定される場合、インダクタ電流は、次のサイクルが始まる前にゼロに達することになる。期間Ｄ1Ｔの期間の終わりに、インダクタに貯蔵されるエネルギーは、
【００３２】
【数２】
2013520768.tif 000004
として表されうる。
【００３３】
値ｉpkは、
【００３４】
【数３】
2013520768.tif 000005
として表されうる。
【００３５】
式（３）を式（２）に代入することによって、
【００３６】
【数４】
2013520768.tif 000006
となる。
【００３７】
それにより、負荷に送出される電力量は、
【００３８】
【数５】
2013520768.tif 000007
として導かれうる。
【００３９】
ＲＭＳ値、Ｖin-rmsの交流入力電圧を有する電源の場合、電源が必要とする入力電力は、
【００４０】
【数６】
2013520768.tif 000008
である。
【００４１】
式（６）は、フライバック変圧器８８について、磁化インダクタンスＬの値を計算するために使用された。そうするために、２つの設計パラメータＤlおよびｆswが固定された。Ｄlは、０．５の値に設定された。ｆswの値は、低伝導妨害波（ｌｏｗ  ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のために選択された。ＣＩＳＰＲ、ＩＥＣ、ＦＣＣなどのようないくつかの規格が、最大伝導妨害波を制限するために、通常使用される。これらの用途のほとんどは、１５０ｋＨｚと３０ＭＨｚとの間で伝導電磁干渉（ＥＭＩ）に制約を課す。伝導妨害波に対して高いインピーダンスを達成するために、１５０ｋＨｚに近いスイッチング周波数が選択された。
【００４２】
たとえば、１４０ｋＨｚにおいて、対称三角形スイッチングリップル電流が、ｆswの奇数高調波の電流を伝導することが予想されることになる。最初の奇数高調波は、４２０ｋＨｚであると予想された。この周波数において、磁化インダクタンスＬのインピーダンスは、伝導高調波電流を制限するのに十分に高いことが予想された。９０％の効率（η）−指定されたターゲット効率−が仮定された。これらのパラメータに基づいて、Ｌの値は、
【００４３】
【数７】
2013520768.tif 000009
として計算された。
【００４４】
【表１】
2013520768.tif 000010
変圧器８８の巻数比は、不連続動作モードについての要件に基づいて計算された。図７から、不連続動作モードについての設計基準は、
【００４５】
【数８】
2013520768.tif 000011
である。
【００４６】
磁化インダクタンスにわたって電圧−時間バランスをとる方法は、
【００４７】
【数９】
2013520768.tif 000012
を必要とすることになる。
【００４８】
巻数比は、式（９）を満たすように設計された。フライバック変圧器用のコアと巻線の設計が、その後終了した。１００℃における銅の表皮深さは２１６μｍである。高周波設計において、近接効果および渦電流損失が著しく、効率を低下させうる。したがって、巻線損失の影響を減少させるためにリッツワイヤが選択された。提示された分析に基づいて、ＡＷＧ４４（５１μｍ径ストランド）ストランドが、実行可能な設計であると判定された。通常、銅の表皮深さより３倍〜４倍小さいストランド径が、高周波の抵抗をＤＣ抵抗の近くに維持するのに役立つ。１次および２次バンドル構成が、ＬＴＳＰＩＣＥ［３］における回路シミュレーションから引出されるＲＭＳ電流ならびに商業的入手性に基づいて選択された。
【００４９】
高電圧（ＨＶ）巻線および低電圧（ＬＶ）巻線は共に、６０Ｈｚの低周波単極電流および１４０ｋＨｚの重畳三角形電流を維持する。ストランド寸法の選択はまた、巻線について利用可能な面積量によって導かれた。フライバック変圧器８８についての許容可能な最大寸法は、この用途の場合、２．５４ｃｍとして指定された。Ｅコア幾何形状Ｅ２５／１０／６が、制約内に収まることになる最大コアとして選択された。円形ストランドを有するリッツ巻線についての充填率Ｆpは、
【００５０】
【数１０】
2013520768.tif 000013
として推定され、式中、Ａcircleは、辺ａの正方形セクション内で径ａの円形ストランドによって占められる面積を示す。０．５のファクタが、絶縁効果およびリッツバンドルの曲げ半径を含むために課された。５１μｍの選択されたストランド径は、
【００５１】
【数１１】
2013520768.tif 000014
のように、エリア巻線窓と共に実装され、式中、Ａwは、ボビン内の利用可能な巻線面積であり、ＡTは、ＮHVのターンを有する巻線の単一ターンについて利用可能な面積である。２のファクタが、この用途の２巻線設計におけるＨＶおよびＬＶ巻線について同じ面積を設定するために適用される。ストランド径（ｄs）を固定した状態で、巻線窓内に収まるために必要とされるストランドの数は、
【００５２】
【数１２】
2013520768.tif 000015
として計算されうる。
【００５３】
必要とされるＨＶターンの数が計算された。不連続伝導モードで動作するフライバック変圧器の場合、式
【００５４】
【数１３】
2013520768.tif 000016
が適用され、式中、Ｖin（ｔ）は、断面積Ａcoreを有する磁気コア内に単極磁束を課す時間変動性単極入力電圧を示す。材料の飽和磁束密度はＢsatとして示される。入力電圧のピークにおいて、式（１３）は、
【００５５】
【数１４】
2013520768.tif 000017
として計算されうる。
【００５６】
コア材料は、１４０ｋＨｚ動作についてのデータシート推奨に基づき、また同様に、設計時点における商業的入手性に基づいて、３Ｃ９０フェライトとして選択された。コアの特性は、以下の表ＩＩに示される。
【００５７】
【表２】
2013520768.tif 000018
ＨＶターンの数は、表ＩＩのパラメータを使用して式（１４）から
【００５８】
【数１５】
2013520768.tif 000019
として計算された。
【００５９】
ＨＶ巻線についての許容可能最大ストランドは、式（１２）を使用して
【００６０】
【数１６】
2013520768.tif 000020
として計算された。
【００６１】
ＬＶ巻線についてのターン数ＮLVは、式（１１）の等式を満たすために１５であるように選択された。ＬＶ巻線についての許容可能最大ストランドは、式（１２）を使用して
【００６２】
【数１７】
2013520768.tif 000021
として計算された。
【００６３】
ＡＷＧ４４の６６ストランドを有するリッツワイヤおよびＡＷＧ４４の１５０ストランドを有するリッツワイヤが、ＨＶ巻線およびＬＶ巻線、それぞれについて選択された。これらは、設計時点で商業的に入手可能であったベストフィット設計であった。これが、高周波変圧器８８の設計を終了させる。
【００６４】
認識されるように、変圧器８８の漏洩インダクタンスが、電源の効率に著しく影響を及ぼす。変圧器８８は、巻線窓に貯蔵された漏洩エネルギーを減少させるために、インタリーブされた。巻線構築は、ＨＶ巻線の両側にＬＶ巻線が２層で巻かれるように実施された。最初に、１５０／４４リッツワイヤ（ＡＷＧ４４リッツ構成の１５０ストランド）の８ターンが、ＣＰＨ−Ｅ２５／１０／６−１Ｓ−１０Ｐ−Ｚボビンに巻き付けられた。６６／４４リッツワイヤ（ＡＷＧ４４リッツ構成の６６ストランド）の４１ターンが、巻かれ、それに続いて、１５０／４４リッツワイヤの７ターンが巻かれた。リッツワイヤバンドル上の絶縁は、電圧絶縁（１７０Ｖのピーク入力電圧の２倍の予想最大値）について十分であると思われた。インタリーブ無しの設計では、変圧器の漏洩エネルギーによる損失が、０．５Ｗ（総合損失の約２％）であると予想された。変圧器をインタリーブすることによって、損失は、４倍減少し、１２０ｍＷ（総合損失の約０．４％）になった。変圧器は、総合損失の約５％を消散すると予想された。
【００６５】
依然として図７を参照して、上述したように、スイッチＱ1は、回路８０のＭＯＳＦＥＴ９０である。いくつかの商業的に入手可能なＭＯＳＦＥＴが調査された。損失は、回路シミュレーションから得られる電圧および電流ストレスに基づいて各部品（ｐａｒｔ）について推定された。Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｉｎｃ．によって製造された、いくつかのＭＯＳＦＥＴのスイッチング損失および伝導損失が調査された。Ｆａｉｒｃｈｉｌｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒの部品は、他のＧＥ照明製品（たとえば、ＰＡＲ３８  ＬＥＤランプ）で既に使用中であるため調査された。しかし、他のベンダーからの部品も適しているとすることができる。
【００６６】
不連続伝導モードでフライバックコンバータ８０を動作させる方策は、特に高周波リップルにおいて高いピーク電流をもたらす。したがって、チャネル抵抗を最小にすることが重要である。同様に、スイッチング損失は、１４０ｋＨｚで高い可能性がある。伝導損失とスイッチング損失の両方に関するトレードオフが、以下の表ＩＩＩに示される。
【００６７】
【表３】
2013520768.tif 000022
上述した分析に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ  ＦＣＰ４Ｎ６０ＮＤが、最も低い推定損失を示す。しかし、ＭＯＳＦＥＴ  ＦＣＰ１１Ｎ６０およびＦＣＰ１６Ｎ６０もまた、性能が同等である。ＭＯＳＦＥＴ  ＦＣＰ１１Ｎ６０は、入手性に基づいて選択された。この設計は、コンバータの総合電力の約２％を消散すると予想される。
【００６８】
ここで図８を参照して、開示された照明システム１０の、合成ジェット電源２６として使用するために設計され試験された、適した回路９２の例が提供される。先に述べたように、５個の合成ジェットデバイス１８のアレイが、先に述べた実施形態に含まれた。図８の１つの例示的な回路９２は、以下の表ＩＶに述べる、以下の特性およびパラメータを含むように設計された。
【００６９】
【表４】
2013520768.tif 000023
回路９２は、必要とされるドライブ条件を達成する方法を提供する。回路９２の背後の原理は、合成ジェットデバイス１８で形成される共振回路を駆動することである。合成ジェット１８は、合成ジェット１８を物理的に作動するときに失うエネルギーを表す直列抵抗（ＲSJ）を有するキャパシタ（ＣSJ）を含むブロック９４によってモデル化される。共振周波数は、合成ジェット１８が動作する周波数であるように設定される。これは、直列抵抗（ＲL）を有するインダクタ（Ｌ）およびキャパシタ（Ｃ2）を使用することによって達成される。キャパシタＣ1は、ＤＣ成分を阻止するために使用されるキャパシタである。出力に存在するどんな残留ＤＣも、抵抗器ＲDによって減衰する。共振回路のＱによって、ドライバによって生成される方形波電圧のピーク電圧は、出力で必要とされる電圧を提供するために増幅される。
【００７０】
回路９２は、方形電圧波形を提供する市販チップを使用して組み立てられうるタイマ回路９６を含む。ドライバ９８は、引出される出力電流がタイマ回路９６の能力を超える場合に、負荷９４からタイマ９６をバッファリングするために実装される。部品Ｌは、磁気コアおよびワイヤで巻かれうる。
【００７１】
単一モデル化合成ジェット９４は、動作周波数（１７５Ｈｚ）で正弦波電圧を印加することによって実験的に特徴付けられる。インピーダンスの位相および大きさは、モデル化ジェット９４の両端の測定電圧と、モデル化ジェット９４を通る測定電流の比として計算された。モデル化ジェット９４は、この実験の場合、増幅器によって駆動された。この値は、値ＲSJを表す。
【００７２】
プロトタイプの予想性能は、表Ｖに示される。
【００７３】
【表５】
2013520768.tif 000024
認識されるように、種々の回路が、要件に応じてドライバエレクトロニクス１６の部品として提供されることができる。回路８０および９２は、上述した目的を達成するための適した回路の一例を提供する。
【００７４】
この書面による説明は、最良の態様を含む、本発明を開示するための例、また、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および、組込まれる任意の方法を実施することを含む、当業者が本発明を実施することを可能にするための例を使用する。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、また、当業者が思い付く他の例を含むとすることができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の正確な言語と異ならない構造要素を有する場合、または、特許請求の範囲の正確な言語と非常にわずかの差を有する等価な構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図される。
【符号の説明】
【００７５】
１０  照明システム
１２  光源
１４  熱管理システム
１６  ドライバエレクトロニクス
１８  合成ジェットデバイス
２０  ヒートシンク
２２  空気ポート
２４  ＬＥＤ電源
２６  合成ジェット電源
３０  ねじ付き口金（エジソン口金）
３２  ハウジング構造
３４  ケージ
３８  熱管理システムハウジング
４０  面板
４２  ＬＥＤ
４４、６２  ねじ
４６  ナット
４８  開口
５０  ピン
５２  集積回路部品
５４  プリント回路基板（ＰＣＢ）
５８  フィン
６０  ベース
６４  振動板
６６  中空フレーム
７２  板
８０  フライバックコンバータ回路
８２  ＥＭＩフィルタ
８４  ダンピング網
８６  整流器
８８  変圧器
９４  負荷
９６  ５５５タイマ
９８  ドライバ
【図１】
2013520768.tif 000025
【図２】
2013520768.tif 000026
【図３】
2013520768.tif 000027
【図４】
2013520768.tif 000028
【図５】
2013520768.tif 000029
【図６】
2013520768.tif 000030
【図７】
2013520768.tif 000031
【図８】
2013520768.tif 000032
【国際調査報告】
2013520768.tif 000033
2013520768.tif 000034