(57)【要約】【課題】大型化や高重量化、消費電力の増加を招くことなく、発光部を効率良く冷却して明るさと寿命の向上を図ることができる照明装置の冷却構造を提供すること。【解決手段】光源であるＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板５と該ＬＥＤ基板５を載置するベース６とから成る発光部３と、該発光部３の裏側から送風することによって発光部３を強制空冷するブロア４を筐体２内に備えた照明装置１の冷却構造として、前記ベース６の中心部に通風孔７を貫設し、該ベース６の基板設置面に複数の送風溝８を形成する。又、前記送風溝８を、前記通風孔７を中心として放射状に形成する。更に、前記各送風溝８のＬＥＤ基板５との接触面積の総和をＬＥＤ基板５の面積に対して２０〜４０％に設定する。又、前記ブロア４として圧電素子で駆動されるものを使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源であるＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板と該ＬＥＤ基板を載置するベースとから成る発光部と、該発光部の裏側から送風することによって発光部を強制空冷するブロアを筐体内に備えた照明装置の冷却構造であって、
前記ベースの中心部に通風孔を貫設し、該ベースの基板設置面と前記ＬＥＤ基板のベースへの設置面の少なくとも一方に複数の送風溝を形成したことを特徴とする照明装置の冷却構造。
【請求項２】
前記送風溝を、前記通風孔を中心として放射状に形成したことを特徴とする請求項１記載の照明装置の冷却構造。
【請求項３】
前記各送風溝の面積の総和を前記ＬＥＤ基板の面積に対して２０〜４０％に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の照明装置の冷却構造。
【請求項４】
前記ブロアとして圧電素子で駆動されるものを使用することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の照明装置の冷却構造。
【請求項５】
前記各総風溝と同一直線上となる形状の送風溝を前記ベースの基板設置面から外側に位置する基板非設置面に向かって形成したことを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の照明装置の冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）を光源とする発光部をブロアからの送風によって強制空冷する照明装置の冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、消費電力が小さくて高寿命のＬＥＤを光源とする照明装置が増えてきつつあるが、照明装置に要求される照度を確保するためにはＬＥＤへの供給電流を増やす必要がある。このため、照明装置の光源として使用されるＬＥＤの消費電力が加速度的に上昇しており、これに伴って発光部の発熱量も増えている。
【０００３】
ＬＥＤの最大の問題点は、発光効率が向上しても、投入した電力の大部分が熱となり、発熱によって明るさと寿命が低下してしまうということである。特に、大電力のＬＥＤにおいては、チップ当たり数Ｗもの発熱に耐え得るだけのパッケージと放熱構造が求められており、熱伝導性に優れたメタルコア基板やセラミック基板が実用化されている。特に、セラミック基板については、材料技術の進歩によって熱伝導率が向上したこと、絶縁性の基板であるためにメタルコア基板とは違って絶縁層が不要であること等の理由から注目されている。
【０００４】
又、ＬＥＤの冷却手段として、従来はペルチェ素子による強制吸熱、ヒートシンクとファンによる強制空冷等（例えば、特許文献１参照）が採用されてきたが、大電力のＬＥＤの応用製品については、ＬＥＤの投入電力と発熱密度の増大に伴って、従来の冷却手段では冷却能力に限界が見え始め、より高い冷却能力を発揮する空冷ファンを用いた強制液冷システムを採用するものも出現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９８４７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１において提案されたＬＥＤ照明装置においては、空冷ファンを用いて効率良く熱交換するためには内蔵ヒートシンクが必要となり、ＬＥＤ照明装置の容積と重量の増加を招くという問題がある。又、空冷ファンは塵埃等の微粒子に対する耐久性が低いためにエアフィルタが必要となるが、エアフィルタを用いると吸入圧力が下がって送風と冷却能力の低下を招くために一層強力な空冷ファンが必要となり、消費電力が増加するという問題が発生する。
【０００７】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、大型化や高重量化、消費電力の増加を招くことなく、発光部を効率良く冷却して明るさと寿命の向上を図ることができる照明装置の冷却構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、光源であるＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板と該ＬＥＤ基板を載置するベースとから成る発光部と、該発光部の裏側から送風することによって発光部を強制空冷するブロアを筐体内に備えた照明装置の冷却構造として、前記ベースの中心部に通風孔を貫設し、該ベースの基板設置面と前記ＬＥＤ基板のベースへの設置面の少なくとも一方に複数の送風溝を形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記送風溝を、前記通風孔を中心として放射状に形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記各送風溝の面積の総和を前記ＬＥＤ基板の面積に対して２０〜４０％に設定したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れかに記載の発明において、前記ブロアとして圧電素子で駆動されるものを使用することを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れかに記載の発明において、前記各総風溝と同一直線上となる形状の送風溝を前記ベースの基板設置面から外側に位置する基板非設置面に向かって形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、ブロアによって発光部の裏側から送られる冷却風はベースの中心部に形成された通風孔から複数の送風溝を通って発光部のＬＥＤ基板とベースの間を流れ、その過程でＬＥＤ基板とベースを強制空冷するため、発光部が効率良く冷却されて照明装置の明るさと寿命が高められる。又、コンパクトで実用的な筐体放熱構造をそのまま活かした強制空冷方式を採用するため、筐体の側面や内部にヒートシンクを付加する必要がなく、筐体の容積を小さく抑えて照明装置の小型化と軽量化を図ることができる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、ブロアからの冷却風はベースの通風孔から放射状の送風溝に沿ってＬＥＤ基板とベースの間を均一に流れてこれらのＬＥＤ基板とベースを全体的に均一に冷却するため、発光部が効率良く冷却されて該発光部の明るさと寿命が高められる。特に、各送風溝を曲線状にすると、該送風溝の長さが長くなって冷却風が流れる時間も長くなり、冷却風量が増えるとともに、冷却風が旋回流となってＬＥＤ基板とベースの間を流れるため、この冷却風によってＬＥＤ基板とベースが一層効率良く冷却される。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、各送風溝の面積の総和をＬＥＤ基板の面積に対して２０〜４０％に設定したため、発光部の冷却に必要十分な冷却風の流量を確保しつつ、ＬＥＤ基板からベースへの熱伝導を確保して発光部を効率良く冷却することができる。因みに、各送風溝の面積の総和がＬＥＤ基板の面積に対して２０％未満である場合には、送風溝を流れる冷却風の流量が不足するため、強制空冷による発光部の冷却効果が低減する。又、逆に各送風溝の面積の総和がＬＥＤ基板の面積に対して４０％を超えると、ＬＥＤ基板のベースへの接触面積が不足するためにＬＥＤ基板からベースへの熱伝導量が不足し、発光部の冷却効果が低減する。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、ブロアとして圧電素子によって駆動されものを使用するため、軸流ファンとは違って高い駆動圧力が得られ、エアフィルタの付加によってもブロアの吸入圧力や送風性能の低下を招くことがなく、ブロアの消費電力を低く抑えることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、各総風溝と同一直線上となる形状の送風溝をベースの基板設置面から外側に位置する基板非設置面に向かって形成したため、各送風溝を流れる空気の流れがスムーズになり、一層高い放熱効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る冷却構造を備える照明装置要部の分解斜視図である。
【図２】本発明に係る冷却構造を示す発光部とブロアの分解斜視図である。
【図３】本発明に係る冷却構造における冷却風の流れを示す発光部の断面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係る冷却構造を示すベースの平面図、（ｂ）は比較例１に係る冷却構造を示すベースの平面図である。
【図５】本発明と比較例１，２に係る冷却構造による冷却効果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は本発明に係る冷却構造を備える照明装置要部の分解斜視図、図２は本発明に係る冷却構造を示す発光部とブロアの分解斜視図、図３は本発明に係る冷却構造における冷却風の流れを示す発光部の断面図である。
【００２１】
本実施の形態に係る照明装置１は、図１に示すように、一端が開口する略円筒状の筐体２の内部に発光部３と、該発光部３の裏側から送風することによって発光部３を強制空冷するブロア４（図２及び図３参照）を収容して構成されている。ここで、筐体２は耐熱性樹脂や表面がアルマイト加工されたアルミニウム等によって構成されており、閉じられた端部（図１の下端）には不図示のソケットに螺着される口金部２ａが形成されている。
【００２２】
上記発光部３は、光源である不図示のＬＥＤが実装された薄い矩形平板状のＬＥＤ基板５と、該ＬＥＤ基板５を載置固定する円板状のベース６とで構成されており、ベース６の上面（基板設置面）にはＬＥＤ基板５が嵌め込まれる矩形の浅い窪み６ａが形成されている。
【００２３】
ところで、本実施の形態に係る照明装置１は、照明用の白色光線を出射するため、光源として青色ＬＥＤと黄色蛍光体とを組み合わせたものが使用されている。尚、光源として蛍光体を抜いた単色光源を用いることもできる。
【００２４】
前記ＬＥＤ基板５としては種々の材質のものを使用することができるが、ＬＥＤの実装容易性と熱伝導の観点からセラミック基板や絶縁層付きのアルミニウム基板が好適である。本実施の形態では、光源として複数のＬＥＤを直列又は並列接続して成るマルチチップ構成のものが使用されており、図示しないが、ＬＥＤ基板５上には配線のための銅やアルミニウム等から成るパターンが形成されている。又、ＬＥＤとＬＥＤ基板５との接合方式としても種々のものを用いることができるが、ＬＥＤの実装容易性と熱伝導の観点からＡｕＳｎ共晶接合やＡｕバンプ接合が好適である。
【００２５】
ＬＥＤ基板５を載置固定する前記ベース６の材質としては種々のものが使用できるが、加工性と熱伝導の観点から銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料が好適であり、本実施の形態では、軽量であることからアルミニウムが使用されている。又、ベース６の厚みについては、薄過ぎると熱伝導性が悪くなって冷却効果が低下し、逆に厚過ぎると重量増加を招くため、ベース６の厚みとしては２〜５ｍｍ程度が最適である。尚、本実施の形態では、ベース６の厚みを３ｍｍに設定した。
【００２６】
前述のようにベース６の基板設置面である上面にはＬＥＤ基板５が嵌め込まれる矩形の窪み６ａが形成されているが、この窪み６ａの中心部には円孔状の通風孔７が上下方向に貫設されている。又、ベース６の基板設置面（上面）には、通風孔７から径方向外方へと窪み６ａの外側まで旋回しながら放射状に延びる複数の送風溝８が螺旋状に形成されている。詳細には、図１、図２及び図４（ａ）に示すように、複数の送風溝８がベース６の窪み６ａの外側である基板非設置面に延出するように送風溝８ａが形成されており、この送風溝８ａを形成することによって各送風溝８，８ａを流れる空気の流れがスムーズとなって、より一層高い放熱効果が得られる。本実施の形態では、送風溝８，８ａは曲線状に形成され、全体として通風孔７を中心として一回転方向（図１及び図２の時計回転方向）に旋回する螺旋形状を形成している。尚、送風溝８が描く軌跡については特に定めはないが、余り複雑に曲げると冷却風の流動抵抗が大きくなって流速が下がり、冷却性能の低下を招く。又、逆に送風溝８（８ａ）が描く軌跡が直線のように単純過ぎると、該送風溝８（８ａ）を流れる空気のＬＥＤ基板５との接触面積が小さくなり、送風溝８（８ａ）を流れる冷却風とＬＥＤ基板５及びベース６との熱交換量が減少し、ＬＥＤ基板５とベース６の冷却効果が低減する。
【００２７】
ここで、各送風溝８の面積の総和は、ＬＥＤ基板５の面積に対して２０〜４０％に設定されている。各送風溝８の断面形状は特に限定されず、四角や半円であっても良い。又、各挿通溝８の幅や深さ、本数については、ブロア４の送風能力によって定めれば良く、本実施の形態では、ブロア４として吐出能力が１（リットル／分）のものを使用し、ベース６の基板設置面に、断面形状が幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの断面半円の送風溝８を１０条形成した。尚、送風溝８の加工方法としては切削加工を用いても良いが、ベース６をダイキャストによって成形する場合には、その基板設置面に窪み６ａと共に送風溝８をダイキャストと同時に一体成形する方法を採用することが望ましい。
【００２８】
前記ブロア４の駆動方式としては、圧電素子を用いる方式、電磁誘導方式等、種々の方式が考えられるが、本実施の形態では、ブロア４として小型で高い駆動圧力が得られる圧電素子を用いるものを使用した。このブロア４の上面（ＬＥＤ基板５への接触面）の中央部にはパイプ状の吐出ノズル４ａが突出しており、ブロア４は、図３に示すように吐出ノズル４アをベース６の通風孔７に下方から嵌め込み、その上面をベース６の下面に密着させた状態で組み付けられる。尚、筐体２内やブロア４の内部への塵埃等の微粒子の侵入を防ぐため、エアフィルタを適宜付加することが望ましい。
【００２９】
又、図３に示すように、ＬＥＤ基板５は、ベース６の基板設置面に形成された窪み６ａに嵌め込まれることによってベース６上に載置固定される。ここで、ＬＥＤ基板５とベース６との接合には熱伝導性の高い接着剤やグリス等が使用されるが、本実施の形態では、ネジ止めによってＬＥＤ基板５とベース６とを接合した。又、ベース６とブロア４との固定には接着剤や両面テープ等が使用されるが、本実施の形態では耐熱性の高いシリコーン系接着剤を使用した。
【００３０】
以上のように構成された照明装置１において、発光部３のＬＥＤとブロア４に通電がなされると、ＬＥＤが発光して照明光がＬＥＤ基板５の発光面から出射し、この照明光によって周囲が照明されるが、ＬＥＤは発光によって発熱する。そして、この熱は、ＬＥＤ基板５から熱伝導率の高いベース６へと伝導し、ベース６の外表面から放熱されるとともに、筐体２の外表面からも放熱される。
【００３１】
而して、ＬＥＤの発光と同時にブロア４がベース６の裏側で駆動され、図３に矢印にて示すように、ブロア４の吐出ノズル４ａからは冷却風がベース６の中心部に形成された通風孔７へと吐出される。このようにベース６の通風孔７へと吐出される冷却風は、通風孔７からベース６に形成された複数の送風溝８を通って発光部３のＬＥＤ基板５とベース６の間を図３に矢印にて示すように径方向外方へ向かって流れ、その過程でＬＥＤ基板５とベース６を強制空冷するため、発光部３が効率良く冷却されて照明装置１の明るさと寿命が高められる。このように、本実施の形態では、コンパクトで実用的な筐体放熱構造をそのまま活かしたブロア４による強制空冷方式が採用されているため、筐体２の側面や内部にヒートシンクを付加する必要がなく、筐体２の容積を小さく抑えて照明装置１の小型化と軽量化を図ることができる。
【００３２】
又、本実施の形態では、ブロア４からの冷却風はベース７の通風孔７から放射状の送風溝８に沿ってＬＥＤ基板５とベース６の間を均一に流れてこれらのＬＥＤ基板５とベース６を全体的に均一に冷却するため、発光部３が効率良く冷却されて該発光部３の明るさと寿命が高められる。特に、本実施の形態では、各送風溝８を曲線状とて全体として螺旋状に旋回する形状としたため、該送風溝８の長さが長くなって冷却風が流れる時間も長くなり、冷却風量が増えるとともに、冷却風が旋回流となってＬＥＤ基板５とベース６の間を流れるため、この冷却風によってＬＥＤ基板５とベース６が一層効率良く冷却される。
【００３３】
更に、本実施の形態では、各送風溝８の面積の総和をＬＥＤ基板５の面積に対して２０〜４０％に設定したため、発光部３の冷却に必要十分な冷却風の流量を確保しつつ、ＬＥＤ基板５からベース６への熱伝導を確保して発光部３を効率良く冷却することができる。因みに、各送風溝８の面積の総和がＬＥＤ基板５の面積に対して２０％未満である場合には、送風溝８を流れる冷却風の流量が不足するため、強制空冷による発光部３の冷却効果が低減する。又、逆に各送風溝８の面積の総和がＬＥＤ基板５の面積に対して４０％を超えると、ＬＥＤ基板５のベース６への接触面積が不足するためにＬＥＤ基板５からベース６への熱伝導量が不足し、発光部３の冷却効果が低減する。
【００３４】
又、本実施の形態では、ブロア４として圧電素子によって駆動されるものを使用するため、軸流ファンとは違って高い駆動圧力が得られ、エアフィルタの付加によってもブロア４の吸入圧力や送風性能の低下を招くことがなく、ブロア４の消費電力を低く抑えることができる。
【００３５】
次に、本発明による上記効果を検証するために行った実験について図４及び図５を参照しながら説明する。尚、図４（ａ）は本発明に係る冷却構造を示すベースの平面図、図４（ｂ）は比較例１に係る冷却構造を示すベースの平面図、図５は本発明と比較例１，２に係る冷却構造による冷却効果を示す図である。
【００３６】
実験は図１に示す照明装置１を用いて図４（ａ）に示す本発明に係る冷却構造、図４（ｂ）に示す比較例１に係る冷却構造（ベース６に通風孔７から放射状（十字状）に延びる４本の送風溝８を形成したもの）、図示しない比較例３に係る冷却構造（ベース６に送風溝８を全く設けないもの）について発光面中央（図１のａ点）とＬＥＤ基板端（図１のｂ点）及びベース端（図１のｃ点）の温度をそれぞれ測定することによって行われた。尚、図１に示す照明装置１の外径はφ６０ｍｍ、長さは１００ｍｍ程度であり、ＬＥＤ基板５としては一辺が３０ｍｍ程度のセラミック（アルミナ）基板が用いられ、このＬＥＤ基板５上に約１００個の青色ＬＥＤと黄色蛍光体を実装したマルチチップタイプの発光部３が用いられ、ＬＥＤへの投入電力は約５．５Ｗに統一した。
【００３７】
本発明と比較例１及び比較例２に係る各冷却構造を備えた照明装置１に対して測定された各点（中央面位置、基板端及びベース端）での温度を図５に示す。尚、図５の縦軸のΔＴは周囲温度からの温度上昇値を示す。
【００３８】
図５に示す温度測定結果より、本発明では比較例２に対してＬＥＤ基板中央部で約６℃、基板端で約４℃の温度低減効果が得られることが分かった。これは、ブロア４からの冷却風がベース６に形成された送風溝８に沿って流れることによる熱交換の結果である。又、積分球での全光束測定結果から、６℃程度の温度低減によって明るさが５％程度向上することが確認された。
【００３９】
一方、比較例１は比較例２に対して発光面中央において約２℃の温度低減効果が得られたものの、基板端では逆に約２℃の温度上昇が見られた。これは、比較例１は本発明に対して送風溝８が占める面積が小さく、ブロア４からの冷却風にＬＥＤ基板５とベース６から十分熱が伝えられなかったためであると考えられる。
【００４０】
尚、以上の実施の形態では、送風溝をベース側に形成したが、送風溝をＬＥＤ基板側に設けても良く、或いはベース側とＬＥＤ基板側の双方に挿通溝を形成しても良い。
【符号の説明】
【００４１】
１        照明装置
２        筐体
２ａ      筐体の口金部
３        発光部
４        ブロア
４ａ      ブロアの吐出ノズル
５        ＬＥＤ基板
６        ベース
６ａ      ベースの窪み
７        通風孔
８，８ａ  送風溝
【図１】
2012022947.tif 000003
【図２】
2012022947.tif 000004
【図３】
2012022947.tif 000005
【図４】
2012022947.tif 000006
【図５】
2012022947.tif 000007