(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源のための熱管理装置であって、
少なくとも１つの光源が当該熱管理装置内に取り付けられるときに前記少なくとも１つの光源に熱接続するよう配置される上方側を有する熱伝搬素子と、
前記光源から放射される光を制御するための二次光学素子と、
前記熱伝搬素子に熱接続されるヒートシンクと、
ファンとを含み、
当該熱管理装置は、
前記熱伝搬素子に熱接続される第１組のヒートパイプを更に含み、
前記ファンは、前記ヒートシンクで強制空気対流をもたらすよう配置され、
前記ヒートパイプは、前記ヒートシンク内に埋設され、
前記第１組のヒートパイプは、前記二次光学素子に沿って延在するよう構成される、
熱管理装置。
【請求項２】
前記二次光学素子は、前記熱伝搬素子に配置され、前記少なくとも１つの光源が当該熱管理装置内に取り付けられるときに前記光源を取り囲むよう更に配置される、請求項１に記載の熱管理装置。
【請求項３】
前記ヒートシンクは、少なくとも１つの孔を介して空間と流れ連絡する空洞を更に含み、前記ファンが前記空洞内に配置される、請求項１又は２に記載の熱管理装置。
【請求項４】
前記第１組のヒートパイプは、前記熱伝搬素子の底側に配置される、請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項５】
第２組のヒートパイプを更に含み、該第２組のヒートパイプは、前記熱伝搬素子に熱接続され、且つ、前記第１組のヒートパイプに対して前記熱伝搬素子の反対側に配置される、請求項１乃至４のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項６】
前記ヒートパイプは、前記熱伝搬素子内に少なくとも部分的に埋設される、請求項１乃至５のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項７】
前記二次光学素子は、放物線、楕円、コーン、又は、トランペットの形状である、請求項１乃至６のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項８】
前記ヒートシンクは、放物線状又は円錐形の空洞を含み、前記二次光学素子は、前記放物線状又は円錐形の空洞内に配置される、請求項１乃至７のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項９】
前記ヒートシンクは、フィンを有して構成される、請求項１乃至８のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項１０】
前記フィンは、前記ヒートシンクの外側形状が、切頭回転楕円体、シリンダ、又は、切頭コーンのうちの１つを形成するよう構成される、請求項９に記載の熱管理装置。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの光源は、ソリッドステート発光素子であり、具体的には、発光ダイオード又はレーザである、請求項１乃至１０のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項１２】
前記ヒートパイプの少なくとも１つは、平面的なヒートパイプである、請求項１乃至１１のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のうちのいずれか１項に記載の熱管理装置内に取り付けられる少なくとも１つの光源を含む照明装置。
【請求項１４】
白熱光源を利用する照明器具内にレトロフィットするよう更に構成される、請求項１３に記載の照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の着想は、一般的には、発光ダイオード装置に関し、より具体的には、高出力発光ダイオード装置の熱管理に関する。
【背景技術】
【０００２】
より従来的な光源に関するエネルギ効率の劇的な向上にも拘わらず、発光ダイオード（ＬＥＤ）を利用する光源は、依然として、供給される電力の５０〜８０％を熱に変換している。同時に、効率及び色安定性に関するＬＥＤ性能は温度上昇、特に、８０℃を越える高温に極めて敏感である。この臨界性は高出力ＬＥＤ用途において特に明らかである。従来、ＬＥＤ装置の熱管理のためにヒートシンク及び強制空気対流が利用されている。最近は、ＬＥＤ装置の熱管理のためにヒートパイプが利用されている。ヒートパイプは、液体が毛管作用によって蒸発器に戻される蒸発器−凝縮器システムである。その最も単純な形態において、ヒートパイプは、内壁に沿うウイック構造を備える真空密中空管と、作動流体とから成る。ウイック構造は、焼結粉末金属のように多孔性であり、巻き付けられ、軸方向に配置される溝、スクリーン等で構成され得る。管の中心コアは、蒸気流を許容するよう開放状態にある。ヒートパイプは空にされ、次に、ウイックを浸すのに十分なだけ、少量の作動流体で再充填される。適用可能な作動流体の例は、ナトリウム、リチウム、水、アンモニア、及び、メタノールである。ヒートパイプ内部の雰囲気は、液体及び蒸気の均衡によって設定される。ヒートパイプは、３つの区画、即ち、蒸発器区画、断熱区画、及び、凝縮器区画を有する。蒸発器区画で適用される熱（以下「高温部」とも呼ぶ）は、作動流体の気化によって吸収される。蒸気は僅かにより高い圧力にあり、それは蒸気をヒートパイプの中心に下らせ、断熱区画を通じて凝縮器区画に至らせる。凝縮器区画（以下「低温部」とも呼ぶ）で、より低い温度は蒸気を凝縮させ、気化の潜熱を捨てる。次に、凝縮流体はウイック構造中に創り出される毛管力によって汲み戻される。ヒートパイプ動作は完全に受動的且つ継続的である。この継続的周期は極めて低い温度勾配で多量の熱を移転する。ヒートパイプの動作は受動的であり、移転される熱によってのみ駆動される。重力場では、液体流を助けるために、蒸発器を凝縮器の下に配置し得る。ヒートパイプを異なる形状に構成し得る。
【０００３】
ＬＥＤに基づく照明装置の熱管理のために、ヒートシンク、ヒートパイプ、及び、強制対流を組み合わせることは既知である。米国特許第７，１４４，１３５Ｂ２号は、ヒートシンク上に配置されるＬＥＤ光源を含む照明装置を開示している。ヒートシンクはフィン及び／又はヒートパイプと共に配置される。光学反射器が光源を取り囲む。照明装置は外部シェルを更に含み、空気通路が光学反射器とシェルとの間に形成されるよう、光学反射器が外部シェル内に配置される。ヒートシンクのフィン及び／又はヒートパイプは、空気通路に沿って延びるよう配置される。更に、ファンがヒートシンクの下に配置され、ヒートシンクが冷却されるよう、シェル／光学反射器によって定められる排気孔及び空気入口から空気を流させる。例示的な実施態様では、Ｌｕｘｅｏｎ  ５００ｌｍ  ＬＥＤが冷却される。
【０００４】
ＵＳ２００９／００５９５９４Ａ１は、熱消散モジュールを含む、ＬＥＤに基づく照明装置のための熱管理装置を開示しており、熱消散モジュールは、一方の側に、熱消散フィンを備え、反対側に、ＬＥＤが取り付けられる溝を備える。反射ユニットは熱消散モジュールの少なくとも一部が反射ユニットを取り囲むように溝内に配置される。ＬＥＤが溝内に取り付けられるとき、ＬＥＤの金属伝導性プレートが熱消散モジュールと熱接触して配置される。更に、熱消散モジュールのフィンは熱伝導性パイプによって貫通され、熱伝導性パイプは、外部冷却モジュール内のポンプに接続される揚水式液体システムである。そして、冷却モジュールは熱消散フィンを用いて冷却される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高出力光源のための代替的で改良された熱管理装置を達成することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の着想の第１の特徴によれば、光源のための熱管理装置が提供される。熱管理装置は、少なくとも１つの光源が熱管理装置内に取り付けられるときに少なくとも１つの光源に熱接続するよう配置される上方側を有する熱伝搬素子と、光源から放射される光を制御するための二次光学素子とを含む。熱管理装置は、熱伝搬素子に熱接続されるヒートシンクと、熱伝搬素子に熱接続される第１組のヒートパイプと、ヒートシンクで強制空気対流をもたらすためのファンとを含む。ヒートシンクの少なくとも一部は、二次光学素子を取り囲むよう配置される。ヒートパイプは、ヒートシンク内に埋設される。
【０００７】
それによって、熱管理装置内に取り付けられる光源のための効率的な熱管理を可能にする熱管理装置が提供され、熱管理装置は、強制対流及びヒートシンクの内側に埋設されるヒートパイプの組み合わせを用いて二次光学素子を有する。ヒートシンクは熱伝搬素子に熱接続され、光源は熱伝搬素子上に配置されるので、生成される熱の一部は、熱伝搬素子を介してヒートシンクに直接的に移転される。更に、ヒートシンクは、二次光学素子で形成される熱をヒートシンクによっても管理し得るように二次光学素子を取り囲む。この構成は、装置の大きな角度空間を熱管理の目的のために利用することを更に可能にする。例えば、ＬＥＤを含む、光源のための熱管理装置を通じる断面の角度を今や参照すると、ＬＥＤ光源のための対流熱管理システムは、約１８０°をカバーする（典型的には、ＬＥＤ光源の下に配置される）。ＬＥＤの上の空間（１８０°）は光学的な目的のために使用され、それは設計及び用途の自由を可能にし得る。本発明の着想では、典型的には、空間の９０°未満が二次光学素子のために使用される。二次光学素子は、ヒートシンクの少なくとも一部によって取り囲まれ、結果的に、熱管理システムのために、２５０°よりも多く、好ましくは、２７０°よりも多く、最も好ましくは、３００°の空間を使用することができ、よって、熱管理のために高効率をもたらし、それは高出力用途にとって有利である。上記角度は、システムを通じる断面を指している。
【０００８】
続けると、自然又は強制対流を用いて多量の熱を効果的に消散するために、ヒートシンクの湿潤表面(wetted  surface)は相当に大きくある必要がある。ひいては、例えば、アルミニウムのような良好な伝導性材料が使用されるとしても、これはヒートシンク内に相当に大きな温度勾配を引き起こす。本発明の着想では、ヒートシンク内に埋設されるヒートパイプによって、これらの温度勾配は有利に減少される。更に、熱伝搬素子、ヒートシンク、又は、これらの両方に強制空気対流をもたらすよう、ファンを配置し得る。ファンによってもたらされる強制対流と組み合わせにおけるヒートシンク／ヒートパイプは、熱管理装置内に取り付けられる高出力光源によって生成される熱を消散し得るよう、熱管理装置を効率的に冷却する。熱管理装置は、１００Ｗ〜１０００Ｗの間、好ましくは、２００Ｗ〜７００Ｗの間、最も好ましくは、３００Ｗ〜５００Ｗの間の（冷却されるべき）熱出力で光源を効率的に管理する解決策を提供する。
【０００９】
二次光学素子は、混合光学素子、平行化光学素子、反射器、レンズ、ズーム／焦点合わせ光学素子を含み得る。ここに参照として引用するＭａｒｓｈａｌｌ  ｅｔ  ａｌ．による米国特許第６，２００，００２号を参照。
【００１０】
熱管理装置の実施態様によれば、二次光学素子は、熱伝搬素子に配置され、且つ、熱管理装置内に取り付けられるときに光源を取り囲むよう更に配置され、それは、例えば、平行化構造を提供するために有利である。
【００１１】
熱管理装置の実施態様によれば、ヒートシンクは少なくとも１つの孔を介して空間と流れ連絡する空洞を更に含み、ファンが空洞内に配置される。よって、ファンは、ヒートシンクが熱管理装置のための外側ケーシングを形成するよう、ヒートシンク内に一体化される。
【００１２】
熱管理装置の実施態様によれば、第１組のヒートパイプは、二次光学素子に沿って延在するよう構成される。ヒートパイプはヒートシンク内の温度勾配を効果的に架橋(bridge)するために使用され、よって、温度勾配が減少され、従って、より効率的な冷却が達成される。
【００１３】
熱管理装置の実施態様によれば、第１組のヒートパイプは熱伝搬素子の底側に配置される。選択的に、第１組のヒートパイプを熱伝搬素子内に（少なくとも部分的に）埋設し得る。熱伝搬素子の底側からの方向に追加的に延びるヒートシンクを有するとき、ヒートパイプは、ヒートシンクのこの部分における温度勾配を効果的に架橋するよう構成され、それは効率的な冷却を達成するために有利である。
【００１４】
熱管理装置の実施態様によれば、第２組のヒートパイプを更に含み、第２組のヒートパイプは、熱伝搬素子に熱接続され、且つ、第１組のヒートパイプに対して熱伝搬素子の反対側に配置され、それは増大された冷却効果と大きなヒートシンク内のより均衡した温度分布とをもたし、それは光熱伝搬素子(light  heat  spreader  element)から２つの反対方向に延び得る。熱伝搬素子に対して実質的に対称的に延びるヒートシンクを有利に配置し得る。
【００１５】
熱管理装置の実施態様によれば、ヒートパイプは、熱伝搬素子内に少なくとも部分的に埋設される。ヒートパイプの蒸発器区画は、高い熱管理効率のために熱伝搬素子内に埋設されて有利に配置される。各ヒートパイプの凝縮器区画は、ヒートシンク内に埋設される。これは光源で典型的に起こる最大温度を有する熱伝搬素子とヒートシンク（の遠隔部分）との間に生じる温度勾配を有利に減少する。
【００１６】
熱管理装置の実施態様によれば、二次光学素子は、放物線、楕円、コーン、又は、トランペットの形状である。二次光学素子は、照明装置のための典型的な光学素子である平行化ユニットであり得る。
【００１７】
熱管理装置の実施態様によれば、ヒートシンクは、放物線状又は円錐形の空洞（キャビティ）を含み、二次光学素子は、放物線状又は円錐形の空洞内に配置される。これは、空洞内に二次光学素子を取り付けることによって二次光学素子を配置することを可能にし、或いは、例えば、空洞の表面上の誘電又は金属塗膜を用いて、二次光学素子をヒートシンクの一体的な部分として実際に提供することを可能にする。これは機械的に安定な装置をもたらす。更に、後者の場合、装置の構成部品の数は削減される。
【００１８】
熱管理装置の実施態様によれば、ヒートシンクは、フィンを有して構成される。自然又は強制対流を用いて多量の熱を効果的に消散するために、ヒートシンクの湿潤表面は相当に大きくあることが必要である。フィンを備えるヒートシンクを提供することによって、湿潤表面は有利に減少され、ひいては、それは熱管理装置の冷却効率を増大する。
【００１９】
熱管理装置の実施態様によれば、フィンは、ヒートシンクの外側形状が、切頭回転楕円体、シリンダ、又は、切頭コーンを形成するよう構成される。熱管理装置の全容積に対する湿潤表面の間の高い比率が達成されるので、ヒートシンクのこれらの形状は有利である。
【００２０】
熱管理装置の実施態様によれば、少なくとも１つの光源は、ソリッドステート発光素子であり、具体的には、発光ダイオード又はレーザである。よって、本発明の着想は、高出力ＬＥＤ用途のための効率的な熱管理装置を有利にもたらす。
【００２１】
熱管理装置の実施態様によれば、ヒートパイプの少なくとも１つは、平面的なヒートパイプである。平面的なヒートパイプは、熱伝搬のため並びに湿潤表面をもたらすことのための両方に働くよう有利に利用される。その上、平面的なヒートパイプを向きに対する感度がより少ない（即ち、ヒートパイプに対する重力の影響を減少する）ように配置し得る。その上、例えば、劇場スポットのような用途において、装置の光学素子が下向きに向けられているとき、平面的なヒートパイプを利用することは効果的である。
【００２２】
本発明の着想の第２の特徴によれば、本発明の着想に従った熱管理装置を利用する照明装置が提供される。照明装置は、熱管理装置内に取り付けられる少なくとも１つの光源を含む。
【００２３】
よって、先に記載されたように、熱管理装置は、少なくとも１つの光源によって生成される熱を管理するために極めて効果的である。それによって、高輝度をもたらすために多数の光源又は単一の高出力光源を利用することを可能にする照明装置が提供される。照明装置は、強制対流及びヒートシンク内に埋設されるヒートパイプの組み合わせを用いて有利に冷却される。その上、照明装置は、コンパクトな機能的な高輝度光源ユニットを有利に形成する。
【００２４】
照明装置の実施態様によれば、装置は、白熱光源を利用する照明器具内にレトロフィットするよう構成され、それによって、通常、例えば、白熱高出力光源を利用する照明器具内に適合する照明装置を提供する。本発明の脈絡において、「レトロフィット」(“retrofit”)という用語は、フィラメント電球、ハロゲンランプ等のような、白熱光源のために普通使用される照明取付け器具内に適合することを意味する。換言すれば、本発明に従った光源を、白熱光源を通常利用する照明器具内にレトロフィットすることによって、照明器具内の白熱光源を、本発明に従った光源と交換することが意図される。
【００２５】
その上、本発明の第２の特徴は、第１の特徴と同じ機能及び利点を概ね有する。
【００２６】
本発明の着想の実施態様の一部は、光源によって生成される熱を管理する新規且つ代替的な方法を提供する。改良された熱管理並びに一体化された積極的冷却を備える機械的に安定したコンパクトな装置を提供することが、本発明の一部の実施態様の利点である。本発明は請求項中に列記される機能の全ての可能な組み合わせに関することが付記される。
【００２７】
本発明の着想の他の目的、機能、及び、利点は、以下の詳細な開示、添付の従属項、並びに、図面から明らかになるであろう。
【００２８】
一般的には、請求項中で使用される全ての用語は、ここで明示的に他に定義付けられない限り、技術分野におけるそれらの通常の意味に従って解釈されるべきである。１つ／その(a/an/the)［素子、装置、構成素子、手段等］への全ての言及は、明示的に他に述べられない限り、素子、装置、構成素子、手段等の少なくとも１つの場合に言及しているものとして開放的に解釈されるべきである。
【００２９】
本発明の実施態様を示す付属の図面を参照して、本発明のこの及び他の特徴をより詳細に記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様を概略的に示す断面斜視図である。
【図２ａ】本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様を概略的に示す正面斜視図である。
【図２ｂ】本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様を概略的に示す断面図である。
【図２ｃ】図２ａ及び２ｂに示される熱管理システムの代替的な実施態様を示す断面図である。
【図３】ＡＮＳＹＳ  ＣＦＸ  ｖ１１．０において遂行された熱シミュレーションの結果として、本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様の熱分布を示す断面図である。
【図４ａ】ＡＮＳＹＳ  ＣＦＸ  ｖ１１．０において遂行された熱シミュレーションの結果として、本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様の熱分布を示す概略図である。
【図４ｂ】ＡＮＳＹＳ  ＣＦＸ  ｖ１１．０において遂行された熱シミュレーションの結果として、本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様の熱分布を示す概略図である。
【図５ａ】本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様に従った第一及び第二の組のヒートパイプを備える熱伝搬素子を上方から示す斜視図である。
【図５ｂ】本発明の着想に従った熱管理システムの実施態様に従った第一及び第二の組のヒートパイプを備える熱伝搬素子を下方から示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に、添付図面を参照して、本発明の着想に従った実施態様をより十分に記載する。添付図面には、本発明の特定の実施態様が示されている。しかしながら、本発明を多くの異なる形態において具体化し得る。本発明はここに示される実施態様に限定されるものとして解釈されてはならない。むしろ、この開示が網羅的で完全であり且つ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるよう、これらの実施態様は一例として提供されている。実施態様を通じて、同様の番号は同様の素子を示している。
【００３２】
熱管理装置１００の例示的な実施態様が図１に例示されている。熱管理システム１００は、ヒートシンク１０１と熱接触して、ヒートシンク１０１の狭い端部に配置された、シリンダ形状のヒートスプレッダ(heat  spreader)１０４を含み、ヒートシンク１０１は、切頭円錐のような形状とされている。ヒートスプレッダ１０４の上方表面１０４ａの一部は、ヒートシンク１０１によって形成される放物線状壁によって取り囲まれている。
【００３３】
更に、二次光学素子(secondary  optics)１０３がヒートシンク１０１によって形成される放物線状壁内に配置されている。ここで、二次光学素子１０３は、切頭円錐の形状の平行化構造であり、切頭円錐は、ＬＥＤ１０６から放射される光を平行化する目的で、その狭い開口をヒートスプレッダ１０４に配置させて配置されている。ＬＥＤ１０６は、ヒートスプレッダ１０４の上方表面１０４ａ上に配置されている。ヒートシンク１０１内の孔１０１ａが、空気冷却のためのアクセスをもたらし、選択的に、光源１０６を制御し且つ給電する電子配線（図示せず）のためのアクセスをもたらす。この例示的な実施態様において、孔１０１ａは、上方表面１０４ａの反対側にあるヒートスプレッダ１０４の下面がアクセス可能であるように配置される。
【００３４】
更に、二次光学素子１０３はヒートシンク１０１内に適合するよう構成される。薄い可撓性シート、例えば、アルミニウム又はＭｉｒｏ箔（www.Alanod.deを参照）で二次光学素子１０３を作製し得る。これらの箔は、特定用途の要件に従った形状、例えば、ヒートシンクの形状によって予め決定される形状であり得る。代替的な実施態様では、ヒートシンクの内表面の表面処理によって、例えば、全反射（ＴＩＲ）フィルタを形成する反射塗膜又は多数の材料薄層の気化を用いて、二次光学素子を選択的に提供し得る。薄い絶縁層又は間隙（図示せず）によって二次光学素子をヒートスプレッダから分離し得る。
【００３５】
その上、複数のヒートパイプ(heat  pipe)１０２がヒートスプレッダ１０４内に部分的に埋設されている。ヒートパイプ１０２は、ヒートスプレッダ１０４からヒートシンク１０１内に延在し、更に、ヒートシンク１０１の壁の延長部に沿って延在するように配置されている。図１には、７つのヒートパイプ１０２を見ることができる。ヒートパイプは、熱管理装置１００内に対称的に配置され、ヒートスプレッダ１０４の中心から径方向に延びる第一端部分１０２ａ内にある。更に、第二端部分１０２ｂ内では、ヒートパイプ１０２は、ヒートシンク１０１の壁に沿って、よって、二次光学素子１０３に沿って延在するように配置されている。
【００３６】
ＬＥＤ１０６は、はんだ付けを用いてヒートスプレッダ１０４の上方表面１０４ａ上に取り付けられ、よって、ヒートスプレッダ１０４とＬＥＤ１０６との間の効率的な熱接触をもたらす。選択的に、熱伝導性接着剤又はヒートスプレッダへの機械的取付けを用いて、ＬＥＤの取付けを行い得る。上述のように、ＬＥＤは、ＬＥＤの給電及び／又は制御のための配線を有して更に配置される。配線は、好ましくは、ヒートスプレッダを通じて、更に、給電及び／又は制御装置（図示せず）への孔１０１ａを介して走る。簡潔性のために、配線及び外部給電及び／又は制御装置はここに示されていない。
【００３７】
ヒートシンク１０１の材料は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、真鍮、銅、鋼、ステンレス鋼、又は、任意の適切な熱伝導性材料、化合物、若しくは、複合材であり得る。ヒートスプレッダ１０４は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、鋼、又は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３のようなセラミック、又は、ＭＣＰＣＢ（メタルコアプリント回路板）、又は、ＩＭＳ（絶縁金属基板であって、金属は、Ｃｕ、Ａｌ、又は、鋼である）であり、或いは、それらを含む。よって、材料は、好ましくは、熱源、即ち、主としてＬＥＤからの効率的な熱移転をもたらし得る、高い熱伝導性を備える適切な材料である。
【００３８】
更に、ファン１０１がヒートシンク１０１の狭い端部に配置されている。強制空気対流がヒートシンクに、並びに、孔１０１ａを介してヒートスプレッダに提供される。好ましくは、ファンは、熱管理装置の下方端部に、好ましくは、システムの対称軸に位置付けられる。選択的に、ファンはヒートシンク１０１で強制空気対流を提供するための任意の適切な場所に配置される。ファン１１０の目的は、湿潤表面から空気に熱移転を増大することである。
【００３９】
図２ａ及び図２ｂを今や参照すると、本発明の着想に従った実施態様２００が提示されている。熱管理装置２００は、ヒートシンク２２１と熱接触して、ヒートシンク２２１の円錐部分２０１の狭い端部に配置される、シリンダ形状のヒートスプレッダ１０４を含む。円錐部分２０１は、切頭円錐のような形状とされている。ヒートスプレッダ１０４の上方表面１０４ａの一部は、円錐部分２０１によって形成される放物線状壁によって取り囲まれている。
【００４０】
更に、二次光学素子２０３がヒートシンク２２１によって形成される放物線状壁内に配置されている。二次光学素子２０３は、ヒートスプレッダ１０４の上方表面１０４ａ上に配置されるＬＥＤ１０６から放射される光の方向を制御する。二次光学素子２０３は、ここでは、円錐部分２０１の内表面を覆うよう取り付けられるアルミニウム箔として提供されている。
【００４１】
その上、複数のヒートパイプ２０２がヒートスプレッダ１０４内に部分的に埋設され、ヒートスプレッダ１０４から円錐部分２０１内に、更に、円錐部分２０１の壁の延長部に沿って延在している。図２ｂには、２つのヒートパイプ２０２を見ることができる。ヒートパイプは、熱管理装置２００内に対称的に配置され、基本的には、先に記載した実施態様１００におけるように配置される。しかしながら、ここでは、ヒートパイプ２０２は壁に沿って円錐部分２０１の外縁まで延びている。選択的に、ヒートパイプは、円錐部分２０１の外縁の外側に延び得る。
【００４２】
代替的な実施態様において、ヒートパイプ２０２の長さは、二次光学素子の長さの０．５〜２倍の間であり、好ましくは、二次光学素子の長さの０．７〜１．３倍の間である。好適実施態様では、第１組のヒートパイプでは、５〜３０個の間、好ましくは、７〜２１個の間、最も好ましくは、７、９、１４、又は、１８個のヒートパイプが使用される。ヒートパイプの数は、好ましくは、使用される二次光学素子の対称性に適合するよう構成される。
【００４３】
その上、第２組のヒートパイプ２１１がヒートスプレッダ１０４内に部分的に埋設されて配置され、ヒートスプレッダ１０４の底側からヒートスプレッダ１０４の下に配置される空洞（キャビティ）２０１ａへの方向に延在している。
【００４４】
ヒートシンク２２１は、更に、複数のフィン２０７を有して構成されている。フィン２０７は、部分的に、ヒートシンク２２１の外表面上に周辺的に（並びに、選択的に、対称的に）配置され、円錐部分２０１の下に更に延在している。（選択的に、フィンを円錐部分の上にだけ配置してもよい。）フィンの全外表面積は、好適実施態様によれば、０．０５ｍ２〜０．８ｍ２の間、好ましくは、０．１ｍ２〜０．６ｍ２の間、最も好ましくは、０．２ｍ２〜０．４ｍ２の間である。フィンの数は、好適実施態様によれば、７〜３２の間、好ましくは、１０〜２０の間、最も好ましくは、１２〜１６の間である。代替的に、フィンの数は、ヒートパイプの数に関連して設定される、即ち、ヒートパイプの数の１倍、２倍、３倍、又は、４倍に設定される。円錐部分２０１及びフィン２０７の延長全体(total  extension)は、典型的には、二次光学素子に適合するよう構成され、或いは、この例示的な実施態様におけるように、二次光学素子よりも約２倍長く延びるよう構成される。フィン２０７の材料は、（Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅのような）金属、（Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＴｉＯｘのような）セラミック、及び／又は、（例えば、グラファイト、ダイアモンド、又は、複合材を含む有機分子のような）炭素を含む材料であり、あるいは、それらを含む。
【００４５】
空洞（キャビティ）２１０がヒートシンク２２１の内側に形成され、強制空気対流をもたらすために、ファン１１０が空洞内に配置される。
【００４６】
本発明の着想のために適用可能な光源は、典型的には、小さな大きさを有するＬＥＤ配列である。本発明の実施態様によれば、１０ｍｍ〜１００ｍｍの間、好ましくは、２０ｍｍ〜５０ｍｍの間、最も好ましくは、約３０ｍｍの光源直径が適切である。例示的な光源における出力密度は、典型的には、１×１０６〜５×１０７Ｗ／ｍ２の間である。
【００４７】
結果として得られるヒートスプレッダと周囲空気（２５℃）との間の温度差は、＜１００℃、好ましくは、＜９０℃、最も好ましくは、＜８０℃である。
【００４８】
実施態様において、光源は、複数のＬＥＤを含み、好ましくは、９〜５００個、より好ましくは、５０〜２００個のＬＥＤを含むＬＥＤ配列を含むのが好ましい。好適実施態様では、ＬＥＤは、２００μｍ〜５ｍｍの間、好ましくは、５００μｍ〜３ｍｍの間、最も好ましくは、２ｍｍ〜３ｍｍの間のピッチ（個々の発光素子間の距離）を備えて近接して詰め込まれる。
【００４９】
他の好適実施態様において、光源は（Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ａ、Ｃ、Ｗ、ＷＷ、ＮＷのような光を備える光を放射する）複数の個別にアドレス可能な着色ＬＥＤを含む。
【００５０】
図２ｃは、図２ａ及び図２ｂを参照して上述された実施態様と類似する実施態様を例示しており、ファン１１０はヒートシンク２２１の下に配置されている。
【００５１】
本発明の着想を実証するために、例示的な実施態様の熱シミュレーションが図３及び図４に例示されている。照明装置３００は、図２を参照して記載された光源１０６のための熱管理装置２００の実施態様と基本的に同じ構造を有する。ヒートパイプ３０２は重力の効果を最小限化する方法で位置付けられている。重力の影響を最小限化する１つの方法は、（光源の方向が適用中に変更され得るので、光源の方向と無関係に）、複数のヒートパイプが使用されるときに、それらのうちの少なくとも幾つかが常に上向き方向を指しているように、ヒートパイプが異なる方向に配置されることであり得る。
【００５２】
代替的な実施態様（図示せず）では、ヒートパイプの中央がヒートスプレッダ内に埋設されるよう、長いヒートパイプが配置されることで、長いヒートパイプの両端は、２つの低温部を形成し、高温部（長いパイプの中央部）からの蒸気は、２つの低温部に向かって逃げ得る。
【００５３】
照明装置３００は、１００個のＬＥＤ１０６を備えるＬＥＤ配列を含む光源を備えて配置される。（１００個よりも多くのＬＥＤを備える装置が適用可能であることが付記されなければならない。）大きい数のＬＥＤが用いられるならば、５００よりも多くのルーメンを放射する照明装置が達成可能である。ひいては、これは４００Ｗ（ＬＥＤに依存してより大きなＷが可能である）のオーダの相当な熱負荷を引き起こし、その熱は、１０ｃｍ２、場合によっては、それ未満のオーダの小さい面積に起源する。３つの異なる色、例えば、赤色、緑色、及び、青色を有するＬＥＤが配置され、それは極めて良好な色混合を可能にする。
【００５４】
ＬＥＤ１０６によって放射される光は、米国特許第６，２００，００２Ｂ１号に記載されるように、トランペット形状の反射器２０３で平行化され、それも効率的な色混合器である。反射器セグメントは、１つの方向において平坦であり、他の方向において湾曲している。反射器表面２０３は、極めて反射的なＡｌａｎｏｄによるＭｉｒｏ  Ｓｉｌｖｅｒの薄膜である。
【００５５】
照明装置３００は、更に、電源と、ここには明示的に示されていない色制御装置とを含む。照明装置３００は、ＬＥＤ配列１０６が熱管理装置２００のヒートスプレッダ１０４上に取り付けられるように配置されている。それによって、高出力用途において生成される熱を管理し得る高輝度色調節可能スポットを備える照明装置３００を達成し得る。
【００５６】
ヒートシンク３２２の直径Ｌは、ここでは、２０ｃｍであり、ヒートシンク３２２の長さＨは、ここでは、３０ｃｍである。シミュレーション中に、商業的に入手可能なファン１１０（ＳＵＮＯＮ  ｍｅｃ０２５１−ｖ３）をその独自の検量線(working  curve)と共に利用した。これは１２０×１２０×２５のファンであり、それはその低ノイズ発光の故に選択される。ヒートシンク３２２の幾何学的構造は、ここでは、それがダイカストアルミニウムによって得られるように選択される。厚いテーパ付きフィンの数は、２７〜３６個の間で選択され、約２．５ｍｍの平均的な厚さを有する。選択的に、押出しによって得ることができる、より大きな数の薄い（０．２ｍｍ）フィンを使用し得る。ヒートパイプ及びフィンの数の間の比は、２／１（２つのフィン毎に１つのヒートパイプ）であり、それは均一な熱伝搬(heat  spreading)を保証する。しかしながら、熱伝搬と設計の複雑性との間の妥協の必要が起こるならば、３／１比は良好な候補である。
【００５７】
図３は、照明装置３００の断面図を例示しており、ＡＮＳＹＳ  ＣＦＸ  ｖ１１．０を使用した熱シミュレーションを示している。ヒートシンク上の温度パターンは、図３中の実施態様の左半分に示されており、そこには、ヒートパイプ３０２の側部に沿う均一な温度分布が達成されることを見ることができる。図３中の実施態様の左半分の温度パターンは、断面平面上で取られている。それはヒートパイプによって保証された熱移転の強化を示している。即ち、温度勾配の急激さはヒートパイプパターンに沿ってより少ない。図４は、実施態様全体の熱シミュレーションを例示している。即ち、ヒートシンクの外部スキン上の温度パターンは、図３中の断面と一致している。
【００５８】
ヒートシンク１０２，３２２の大きさは、可能な限り大きくあるべきである。限定要因は、熱管理装置全体又は照明装置１００，２００，３００の隙間、及び、それを均一（且つ可能な限り高い）温度に維持するヒートパイプの有効性である。シミュレーションは、本発明の着想が５００Ｗまでの熱を取り除きながら、ヒートスプレッダ内の最大温度を９０℃（周囲空気温度２５℃）より下に維持することを可能にすることを示した。その場合、ＬＥＤの対応する接合温度は、１２０℃〜１３５℃の間の範囲内にあり、それはＬＥＤ技術で実行可能である。本発明に従った熱管理装置は、動作条件（周囲空気温度２５℃）で、ＬＥＤ配列内のＬＥＤの接合温度を実質的に１５０℃より下、好ましくは、１３５℃より下、より好ましくは、１２０℃より下、最も好ましくは、９０℃より下に維持することを可能にする。
【００５９】
図５ａ及び図５ｂは、実施態様の一部を例示しており、そこでは、第１組のヒートパイプ４０１及び第２組のヒートパイプ４１１が平坦なヒートパイプとして構成されており、それらはヒートスプレッダ４０４内に部分的に埋設されている。その実施態様の主要な機能は、ファン（図５には示されていない）に極めて近い平面的なヒートパイプ４１１の使用である。その場合、ヒートパイプ４１１は、例えば、ファン（先の図１乃至４中の１１０）によって生成される空気流と接触する、熱伝搬及び湿潤表面の両方として働く。向き（即ち、重力）に対する感度(sensitivity)の減少を必要とし且つ熱伝搬の向上をもたらす設計にとって、その実施は有益である。事実、選択的に、平面的なヒートパイプ４１１は、ヒートシンク３２２及び空気の両方の温度が比較的に低い領域にまで延在し得る。ヒートパイプの最大有効性の故に、劇場スポットのような適用におけるように光学素子が下向きに向いている場合には、平坦なヒートパイプは特に有効である。
【００６０】
好ましくは、ヒートパイプは、ヒートパイプの高温部(hot  part)が低温部(cold  part)よりも低い位置に配置されるように向けられ、それは蒸気が低温部に向かって容易に移動することを可能にする。蒸気を生成する高温部が低温部よりも高い位置にあるならば、より低い効率の加熱が達成される。何故ならば、継続的な熱流を実現することはより困難だからである。平面的なヒートパイプの場合、蒸気は高温部から逃げる実質的に２つの方向を有する。これらの２つの方向の一方が上向きであり且つヒートパイプの低温部に向かう可能性が高い。
【００６１】
本発明の着想は、例えば、自動車用前方照明、スポットライト又は他の一般照明ユニット、劇場スポット、及び、高出力照明に適用可能である。
【００６２】
当業者は本発明が上述された好適実施態様に限定されないことを認めるであろう。逆に、付属の請求項の範囲内で多くの変形及び変更が可能である。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
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【図４ａ−４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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