(57)【要約】  発光ダイオード用熱制御システムは、ヒートシンクと熱的に結合するサーミスタを備える。好適には、サーミスタを熱伝導部材内に配置する。電源をサーミスタに電気的に接続する。冷却装置を電源とサーミスタに電気的に直列に接続する。サーミスタを、電源と冷却装置との間に配置する。レオスタットを、サーミスタと電源との間で電気的に直列に更に接続してもよい。【選択図】図１
2011529627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクと熱的に結合するサーミスタと、
前記サーミスタに電気的に接続する電源と、
前記電源と前記サーミスタに電気的に直列に接続する冷却装置と
を備える発光ダイオードの熱制御システムであって、
前記サーミスタは前記電源と前記冷却装置との間に配置される、熱制御システム。
【請求項２】
前記サーミスタと前記電源との間に電気的に直列に接続するレオスタットを更に含む、請求項１に記載の熱制御システム。
【請求項３】
前記発光ダイオードと前記ヒートシンクとの間に配置する熱伝導部材を更に含み、前記サーミスタを前記熱伝導部材内に配置する、請求項１に記載の熱制御システム。
【請求項４】
熱制御システムを備える発光ダイオードの取付装置であって、前記取付装置は、
発光ダイオードと、
前記発光ダイオードと熱的に結合するヒートシンクと、
前記ヒートシンクと熱的に結合するサーミスタと、
前記発光ダイオードと前記サーミスタに電気的に並列に接続する電源と、
前記電源と前記サーミスタに電気的に直列に接続する冷却装置とを備え、
前記サーミスタは前記電源と前記冷却装置との間に配置される、取付装置。
【請求項５】
前記サーミスタと前記電源との間に電気的に直列に接続するレオスタットを更に含む、請求項４に記載の取付装置。
【請求項６】
前記発光ダイオードと前記ヒートシンクとの間に配置する熱伝導部材を更に含み、前記サーミスタを前記熱伝導部材内に配置する、請求項４に記載の取付装置。
【請求項７】
ハウジングを更に含み、前記ヒートシンクを前記ハウジングと一体化させる、請求項４に記載の取付装置。
【請求項８】
前記発光ダイオードをＬＥＤアレイの一部とする、請求項４に記載の取付装置。
【請求項９】
前記ＬＥＤアレイを直列に接続する、請求項８に記載の取付装置。
【請求項１０】
前記ＬＥＤアレイを並列に接続する、請求項８に記載の取付装置。
【請求項１１】
前記サーミスタをサーミスタアレイの一部とする、請求項４に記載の取付装置。
【請求項１２】
前記サーミスタアレイを直列に接続する、請求項１０に記載の取付装置。
【請求項１３】
前記サーミスタアレイを並列に接続する、請求項１０に記載の取付装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオードに関し、特に、発光ダイオード取付装置用熱制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオードは、半導体と同様に、動作中に熱を放出する。これは、発光ダイオードに提供される電気エネルギ全てが光エネルギに変換されるわけではないためである。電気エネルギの大半が熱エネルギに変換され、その結果発光ダイオードの温度は上昇する。抵抗型駆動回路では、発光ダイオードの温度が上昇するに従い、順電圧が降下して、発光ダイオードのｐｎ接合部を通過する電流が増大する。電流が増大することでｐｎ接合部が更に加熱され、発光ダイオードに熱応力が加わる可能性がある。
【０００３】
熱応力が加えられた発光ダイオードは効率が悪くなり、出力が低下する。特定の状況では、可視光がシフトし、白色光が青っぽく見えるようになる可能性さえある。また、熱応力が加えられた発光ダイオードは、関連するドライバ構成要素にかかる負荷も大きくなるため、該構成要素の温度も高くなる。その結果、ワイヤボンドの破断、層間剥離、内部半田接合の分離、ダイボンドのエポキシ損傷、レンズの黄ばみが発生する可能性がある。発光ダイオードの温度上昇を制御する対策を全く講じなければ、ｐｎ接合部が破壊され、場合によっては熱暴走や重大な故障を齎す可能性もある。
【０００４】
発光ダイオードの熱制御には、発光ダイオードからの熱エネルギを伝達することが関わる。従って、発光ダイオード取付装置の設計に関する１態様には、発光ダイオードのｐｎ接合部からできるだけ多くの熱エネルギを効率的に伝達することが関わる。一般的に、ヒートシンクを使用して、これを少なくとも部分的に達成できる。しかしながら、２０〜６０ワットの一層強力な発光ダイオード取付装置に関しては、或は多数の発光ダイオードを狭い空間に配置する用途では、性能を維持するために、更なる冷却手段が必要となるかも知れない。これは、発光ダイオードで発生した熱エネルギが、ヒートシンクが吸収、放散する熱エネルギを時折超える可能性があるためである。そうした状況では、冷却ファンが通常ヒートシンクと組み合わせて使用されている。
【０００５】
従来の発光ダイオード取付装置用熱制御システムでは、ヒートシンクと冷却ファンを、複数の発光ダイオードからなる光源に熱的に結合させる。熱センサが光源の温度を検知して、光源の温度に基づいて、コントローラに可変速度冷却ファンを作動するよう信号を送り、取付装置を所望温度範囲内に維持する。しかしながら、通常は、マイクロプロセッサの形の制御装置が必要となるため、熱制御システムの構成要素数が増え、その結果、製造コストが高くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、改良した発光ダイオード取付装置用熱制御システムを提供することである。
【０００７】
特に、本発明の目的は、構成要素の数を減らした発光ダイオード取付装置用熱制御システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
従って、ヒートシンクと熱的に結合させたサーミスタを備える発光ダイオード用熱制御システムを提供する。好適には、サーミスタを熱伝導部材内に配置する。電源をサーミスタに電気的に接続する。冷却装置を電源とサーミスタに電気的に直列に接続し、サーミスタを電源と冷却装置との間に存在させる。更に、レオスタットをサーミスタと電源との間に電気的に直列に接続してもよい。
【０００９】
また、熱制御システムを有する発光ダイオード取付装置を提供する。該取付装置は、発光ダイオードと熱的に結合するヒートシンクを備える。サーミスタを、ヒートシンクに熱的に結合する。好適には、該サーミスタを熱伝導部材内に配置する。電源を、発光ダイオードとサーミスタに電気的に並列に接続する。冷却装置を電源とサーミスタに電気的に直列に接続し、該サーミスタを電源と冷却装置との間に配置する。更に、レオスタットをサーミスタと電源との間に、電気的に直列に接続してもよい。
【００１０】
本発明について、添付図を参照して例として挙げた好適な実施形態に関する以下の記述から、一層容易に理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の１実施形態による改良した発光ダイオード取付装置用熱制御システムの簡略化したブロック図である。
【図２】図１の熱制御システムの回路図である。
【図３】図１の熱制御システムを備えた発光ダイオード取付装置の、部分的に断面にした、斜視図である。
【図４】図１の熱制御システムを備えた発光ダイオード取付装置の様々な温度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、図１を参照すると、図１は、図３に示す発光ダイオード取付装置１１用の改良した熱制御システム１０の簡略化したブロック図を示している。図１をまた参照すると、ＤＣ電源１２を、プリント基板１８に実装した発光ダイオード１４に接続している。この実施例では、発光ダイオード１４とプリント基板１８を、熱伝導部材、この実施例では金属板１９によって、ヒートシンク１６に熱的に結合させている。しかしながら、これは必要条件ではない。金属板１９を好適には銅又はアルミニウムで形成し、プリント基板１８とヒートシンク１６との間に配置する。また、電源１２を、この実施例では冷却ファン２０とする冷却装置に接続する。ヒートシンク１６と熱的に結合させたサーミスタ２２を、ＤＣ電源１２と冷却ファン２０との間に直列に接続する。好適には、サーミスタ２２は、金属板１９内に配置する、又は金属板１９に埋め込む。更に、抵抗器をレオスタット２４の形で、サーミスタ２２と冷却ファン２０との間に直列に接続する。冷却ファン２０と、サーミスタ２２と、レオスタット２４とで制御回路を規定する。
【００１３】
次に、図２を参照すると、図２は熱制御システム１０の回路図を示している。複数の発光ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄでＬＥＤアレイ１５を形成している。図２で示すように、発光ダイオードは直列及び並列両方で接続してもよい。ＬＥＤアレイ１５をヒートシンク１６と熱的に結合させる。ＤＣ電源１２により、個々の発光ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに電流を供給する。ＬＥＤアレイ１５は、ＤＣ電源１２が供給する電流からの電気エネルギを、光エネルギと熱エネルギの両方に変換する。光エネルギを光として放出し、熱エネルギをヒートシンク１６で吸収、略放散する。
【００１４】
また、ＤＣ電源１２は、冷却ファン２０のＤＣモータ２６に電流を供給する。直列及び並列の両方で接続した複数の負温度係数サーミスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄでサーミスタアレイ２８を形成し、該アレイ自体をＤＣ電源１２と冷却ファン２０との間に直列に接続する。サーミスタアレイ２８をヒートシンク１６に熱的に結合し、サーミスタアレイ２８でヒートシンク１６の温度を感知する。ヒートシンク１６の温度が高くなると、サーミスタアレイ２８の抵抗は小さくなる。ヒートシンク１６の温度が低くなると、サーミスタアレイ２８の抵抗が大きくなる。従って、冷却ファン２０のモータ２６への電流の流れは、ヒートシンク１６の温度に依存していることになる。
【００１５】
サーミスタアレイ２８と冷却ファン２０との間に直列に接続したレオスタット２４により、冷却ファン２０のモータ２６の速度を、当技術分野で周知の方法であり、従って本明細書では詳述しない方法で制御する。これは、一層エネルギを節約し、騒音を少なくするのに望ましいが、必須ではない。熱制御システムの他の実施形態では、サーミスタアレイと冷却ファンとの間に直列に接続したレオスタットを含まなくてもよい。そうした実施形態では、冷却ファンは、サーミスタアレイの結果としてヒートシンクの温度の関数となる、該冷却ファンのモータへの電流の流れに応じて、単純に運転状態／非運転状態で運転する。更にまた、当業者は、熱制御システムの他の実施形態では、発光ダイオードとサーミスタの他の配線図を使用して、ＬＥＤアレイとサーミスタアレイを形成してもよいと理解するであろう。
【００１６】
次に、図３を参照すると、図３は、発光ダイオード取付装置１１のハウジング３０内に配置した熱制御システム１０を示している。好適には、ヒートシンク１６をハウジング３０に接続し、ハウジング３０の後部にヒートシンク１６を組み込む。この構造は、熱エネルギを放散する際に特に有効であることが分かっている。ヒートシンク１６を、この実施例では、銅又はアルミニウムで形成し、複数のフィン３２ａ及び３２ｂを有して、それによりヒートシンク１６の表面積を増大させている。ＬＥＤアレイ１５内の発光ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄから発生した熱エネルギを、伝導によってヒートシンク１６に伝達する。また、冷却ファン２０はハウジング３０内に配置され、ヒートシンク１６に対面する。冷却ファン２０により、ヒートシンク１６へと冷却用空気を提供して、対流によって熱エネルギの伝達を助ける。冷却用空気を加えることで、ヒートシンク１６の効率が２０％〜３０％高まる。
【００１７】
熱制御システム１０の適切な成分値を選択するために、以下のアルゴリズムを用いる：
【００１８】
１．ＬＥＤアレイの近似総消費電力（ＰＳ）を、以下の式を用いて決定する：
（数１）
ＰＳ＝ＰＤｘＮ
【００１９】
式中、ＰＤは個々の発光ダイオードの定格電力とし、ＮはＬＥＤアレイの発光ダイオード総数とする。
【００２０】
２．ＬＥＤアレイの配線図に基づいて、所要電圧（ＶＳ）を、以下の式を用いて決定する：
（数２）
ＶＳ＝Ｖｆｘｎ
【００２１】
式中、Ｖｆは発光ダイオードの順電圧降下とし、ｎは、ＬＥＤアレイで直列に接続する発光ダイオードの数とする。
【００２２】
所要電流（ＩＳ）を、以下の式を用いて決定する：
（数３）
ＩＳ＝Ｉｆｘｍ
【００２３】
式中、Ｉｆは、発光ダイオードの順方向電流とし、ｍは、ＬＥＤアレイで並列に接続するストリング又は足の数とする。
【００２４】
３．ＬＥＤアレイの総消費電力（ＰＳ）に基づいて、ＬＥＤアレイの所望温度（ＴＰＣＢ）を得るのに必要なヒートシンクの放熱表面積（ＳＨＳ）の近似値を、以下の式を用いて決定する：
（数４）
ＳＨＳ＝ＰＳ／ＳＩ
【００２５】
式中、ＳＩは、ＬＥＤアレイの所望温度（ＴＰＣＢ）を維持し、且つＬＥＤアレイの総消費電力（ＰＳ）１Ｗから熱エネルギを補償するのに必要なヒートシンクの最小放熱表面積の値とする。ＳＩ値を、異なるヒートシンク及びＬＥＤアレイで試験した実験データを統計分析して得ることができる。
【００２６】
４．この必要なヒートシンクの放熱表面積（ＳＨＳ）と美観設計への配慮に基づいて、ヒートシンクのベース面積（ＳＢ）又は設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）、及びヒートシンクの高さ（ＨＨＳ）を、既知の幾何学的原理を用いて決定する。
【００２７】
５．ＬＥＤアレイの電力消費量（ＰＳ）、所要電圧（ＶＳ）、所要電流（ＩＳ）、ヒートシンクのベース面積（ＳＢ）、及びヒートシンクの高さに基づいて、熱制御システムで使用する冷却ファンの種類、数、及び接続図を、以下の条件を満たすように決定する：
【００２８】
ファンに印加する総電力（ＰＦＴ）は、以下を超えないものとする：
（数５）
ＰＦＴ≦（０．０５〜０．１）ｘＰＳ
【００２９】
ファン又は直列接続した複数のファンの電圧降下（ＶＦＳ）及び制御回路の電圧降下（ＶＣ）、即ちサーミスタアレイの抵抗とレオスタットとの直列接続の順電圧降下は、以下を超えないものとする：
（数６）
ＶＦＳ＋ＶＣ＝ＶＳ
【００３０】
（数７）
ＰＳ＝ＶＳｘＩＳ
及び（数５）と（数６）を考慮して、ファン又は直列接続したファン及び制御回路を通る電流（ＩＦＳ）の値は以下の式を用いて求められる：
（数８）
ＩＦＳ＝ＩＣ＝（０．０５〜０．１）ｘＩＳ
【００３１】
実証的分析から、ＶＦＳとＶｃとの間の許容可能な割合を以下のように定義できることが分かっている：
（数９）
ＶＦＳ＝０．６ｘＶＳ
（数１０）
ＶＣ＝０．４ｘＶＳ
【００３２】
（数５）、（数８）、（数９）に基づいて、適切な種類のファンを選択できる。選択したファンの全体寸法をヒートシンクの算出した全体寸法と対応させる必要がある。
【００３３】
６．サーミスタの電圧降下（ＶＴ）と制御回路での電圧降下（ＶＲ）との間の許容可能な割合は、実証的分析から求められ、以下の通り定義される：
（数１１）
ＶＴ＝（０．７ｘＶＣ）＝（０．７ｘ（０．４ｘＶＳ））＝（０．２８ｘＶＳ）≒（０．３  ｘＶＳ）
（数１２）
ＶＲ＝（０．３ｘＶＣ）＝（０．３ｘ（０．４ｘＶＳ））＝（０．１２ｘＶＳ）≒（０．１  ｘＶＳ）
【００３４】
７．ＬＥＤアレイの等価抵抗は以下の通りである：
（数１３）
ＲＳ＝ＶＳ／ＩＳ
【００３５】
８．（数８）、（数１１）、（数１３）に基づいて、サーミスタの値（ＲＴ）を、以下の数式を用いて決定する：
（数１４）
ＲＴ＝（ＶＴ／ＩＣ）＝（０．３ｘＶＳ）／（０．０５〜０．１）ＩＳ≒（３〜６）ＲＳ
【００３６】
９．（数８）と（数１１）に基づいて、サーミスタで放散する電力値（ＰＴ）を、以下の数式を用いて決定する：
（数１５）
ＰＴ＝（ＶＴｘＩＣ）＝（０．３ｘＶＳ）ｘ（０．０５〜０．１）ＩＳ≒（０．０１５〜０．０３）ＰＳ
【００３７】
これは、ＬＥＤアレイが放散する電力のちょうど１．５％〜３．０％と等しい。
【００３８】
１０．（数８）、（数１２）、（数１３）に基づいて、値ＲＲを、以下の数式を用いて決定する：
（数１６）
ＲＲ＝（ＶＲ／ＩＣ）＝（０．１ｘＶＳ）／（０．０５〜０．１）ＩＳ≒（１〜２）ＲＳ
【００３９】
１１．（数８）と（数１２）に基づいて、レオスタットで放散する電力値（ＰＲ）を、以下の数式を用いて決定する：
（数１７）
ＰＲ＝（ＶＲｘＩＣ）＝（０．１ｘＶＳ）ｘ（０．０５〜０．１）ＩＳ≒（０．００５〜０．０１）ＰＳ
【００４０】
これは、ＬＥＤアレイが放散する電力のちょうど０．５％〜１．０％と等しい。
【００４１】
１２．（数８）と（数９）と共に、制御回路を通る電流はまたファンも通り流れることも考慮すると：
（数１８）
ＲＦＳ＝（ＶＦ／ＩＣ）＝（０．６ｘＶＳ）／（０．０５〜０．１）ＩＳ≒（６〜１２）ＲＳ
【００４２】
（数１４）、（数１５）、（数１８）により、熱制御システム１０の基本的な構成要素、即ち、サーミスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、レオスタット２４、冷却ファン２０を、１つの基本値、つまりＬＥＤアレイ１５の抵抗（ＲＳ）を用いて、選択する能力を提供できると、当業者は理解するであろう。
【００４３】
（数１４）を用いて算出したサーミスタアレイ２８の抵抗（ＲＴ）、（数８）を用いて算出した冷却ファン２０を通る電流（ＩＣ）、ヒートシンク１６のベース面積（ＳＢ）又は設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）に基づいて、当業者は容易に、（数１４）の条件を満足するように、サーミスタアレイ２８で必要なサーミスタの数だけでなく、直列、並列又はその両方といった、サーミスタ間に必要な電気的接続も決定できる。これに基づいて、サーミスタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのヒートシンク１６のベースへの組込み方、及び熱制御システム１０の一般的な配列を決定できる。
【００４４】
運転中、取付装置１１の温度は、周囲温度と電気負荷が変化するため変動する。取付装置１１がオンであれば、取付装置１１の温度は、図４で最もよく示すように、周囲環境の温度又は室温を超える。これは、ＤＣ電源１２が発光ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄに供給する電気エネルギを、光エネルギ及び熱エネルギの両方に変換するためである。熱エネルギを、ヒートシンク１６によって部分的に吸収、放散することで、ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを、熱暴走を防ぐように予め設定した温度点付近に保てる。
【００４５】
ヒートシンク１６の温度が上昇して、閾値温度点を超えると、サーミスタアレイ２８の抵抗が低下する。そのため、ＤＣ電源１２からサーミスタアレイ２８とレオスタット２４を通り冷却ファン２０に流れる電流が増大する。冷却ファン２０に流れる電流が増大する結果、冷却ファン２０の出力が増大する。冷却ファン２０により、ヒートシンク１６上に、及び／又はヒートシンク１６を通して冷却用空気を送風して、熱伝達係数、即ちヒートシンク１６が熱エネルギを周囲環境に伝達する割合を増大させ、それによりヒートシンク１６の効率を高め、取付装置１１が過熱するのを防ぐ。
【００４６】
ヒートシンク１６の温度が、ファンが提供する冷却用空気を受けて低下すると、サーミスタアレイの抵抗は大きくなる。そのため、ＤＣ電源１２からサーミスタアレイ２８とレオスタット２４を通り冷却ファン２０に流れる電流が減少する。冷却ファン２０に流れる電流が減少する結果、冷却ファン２０の出力が低下し、それによりエネルギを節約でき、騒音も小さくなる。ヒートシンク１６の温度が閾値温度以下に下がると、冷却ファン２０は非運転状態となる。従って、ヒートシンク１６だけが発光ダイオード１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄによって発生した熱エネルギを効率的に放散できる状況では、冷却ファン２０は非運転状態となる。ヒートシンクの温度が再び上昇し、閾値を超えると、冷却ファン２０は再び運転状態になる。
【００４７】
図４で示すように、上述した通り、周期的に、可変速度で運転／非運転する方法で運転することで、冷却ファン２０はヒートシンク１６、ひいてはＬＥＤアレイ１５を、取付装置１１がオンである場合に、所望温度範囲に維持できる。当然ながら、ファンが運転状態の場合は、ファンを一貫して最高速度で又は熱制御システム１０の回路に応じて可変速度で、運転してもよい。
【００４８】
当業者は、上述した詳細の多くは単なる例示であり、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は以下のクレームを参照して決定されるものであることを、理解するであろう。
【符号の説明】
【００４９】
１０      熱制御システム
１１      発光ダイオード取付装置
１２      ＤＣ電源
１４      発光ダイオード
１５      ＬＥＤアレイ
１６      ヒートシンク
１８      プリント基板
１９      金属板
２０      冷却ファン
２２      サーミスタ
２４      レオスタット
２６      モータ
２８      サーミスタアレイ
３０      ハウジング
３２ａ、３２ｂ    フィン
【図１】
2011529627.tif 000003
【図２】
2011529627.tif 000004
【図３】
2011529627.tif 000005
【図４】
2011529627.tif 000006
【国際調査報告】
2011529627.tif 000007
2011529627.tif 000008