(57)【要約】【課題】本発明は、放熱効率の良い新規なヒートシンクを提供することを目的とする。【解決手段】このシートシンクは、発光素子を実装面に実装したベース及び該ベースの実装面と反対側の放熱面に立設された複数枚の放熱フィンを有するヒートシンクにおいて、前記放熱面から間隔を空けて、前記複数枚の放熱フィンの周囲を部分的に取り囲み且つ該放熱フィンからの空気流を方向決めする包囲整流部材を設けている。更に、前記包囲整流部材の内側に、前記放熱フィンの並列方向とは異なる角度で設けられた複数の分流整流板を設け、冷却効率を高くしてもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子を実装面に実装したベース及び該ベースの実装面と反対側の放熱面に立設された複数枚の放熱フィンを有するヒートシンクにおいて、
前記放熱面から間隔を空けて、前記複数枚の放熱フィンの周囲を部分的に取り囲み且つ該放熱フィンからの空気流を方向決めする包囲整流部材を設けたヒートシンク。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートシンクにおいて、
前記包囲整流部材の内側に、前記放熱フィンの並列方向とは異なる角度で設けられた複数の分流整流板を備えたヒートシンク。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートシンクにおいて、
前記分流整流板は、前記放熱面の温度分布に対応して、高温の箇所では該放熱面との間隔が短く配置されている、ヒートシンク。
【請求項４】
請求項２に記載のヒートシンクにおいて、
前記分流整流板は、内側に位置するものほど前記放熱面との間隔が短い、ヒートシンク。
【請求項５】
略円形の平板状のベースと、
前記ベースの一方の面である実装面に配置された発光素子と、
前記ベースの他方の面である放熱面に放射状に配置された複数枚の放熱フィンと、
前記放熱面から間隔を空けて、前記複数枚の放熱フィンの周囲を部分的に取り囲み且つ該放熱フィンからの空気流を方向決めする包囲整流部材とを備えた照明装置。
【請求項６】
請求項５に記載の照明装置において、更に、
前記包囲整流部材の内側に、同心状に設けた複数の分流整流板を備えた照明装置。
【請求項７】
請求項６に記載の照明装置において、
前記分流整流板は、内側に位置するものほど前記ベースの放熱面との距離が近くなっている、照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートシンク及びこれを使用した照明装置に関する。更に具体的には、本発明は、主に自然冷却用のヒートシンク及び発光素子にこのヒートシンクを取り付けた照明装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザ（ＬＤ）が知られている。これらＬＥＤ素子及びＬＤ素子は、半導体素子であり、半導体接合部の温度と素子寿命に密接な関係にある。即ち、素子の温度が高いと素子寿命が短くなる。このため、ＬＥＤ素子又はＬＤ素子を組み込んだ照明装置は、適切に冷却することが重要である。このため、下記特許文献に示すように、種々の冷却手段が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2013-138081「照明装置」（公開日：2013/07/11）出願人：株式会社東芝
【特許文献２】特開2015-153706「照明装置」（公開日：2015/08/24）出願人：株式会社東芝
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
発光素子の発熱を効率よく放熱する手段として、種々の形状のヒートシンクが知られている。典型的なヒートシンクの形状は、例えば、アルミニウム又は銅のような良好な熱伝導性を有する金属で放熱フィンを形成し、複数枚の放熱フィンを一体化して形成されている。ヒートシンクと発光素子とを熱的に伝導接続し、発光素子の発熱をヒートシンクに導いて放熱フィンから大気中に放熱することにより、発光素子を冷却している。このとき、ヒートシンクの放熱効率は、その形状により大きく影響を受ける。
【０００５】
そこで、本発明は、放熱効率の良い新規なヒートシンクを提供することを目的とする。
更に、本発明は、放熱効率の良い新規なヒートシンクを使用した照明装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るヒートシンクは、発光素子を実装面に実装したベース及び該ベースの実装面と反対側の放熱面に立設された複数枚の放熱フィンを有するヒートシンクであって、前記放熱面から間隔を空けて、前記複数枚の放熱フィンの周囲を部分的に取り囲み且つ該放熱フィンからの空気流を方向決めする包囲整流部材を設けている。
【０００７】
更に、上記ヒートシンクでは、前記包囲整流部材の内側に、前記放熱フィンの並列方向とは異なる角度で設けられた複数の分流整流板を備えていてもよい。
【０００８】
更に、上記ヒートシンクでは、前記分流整流板は、前記放熱面の温度分布に対応して、高温の箇所では該方熱面との間隔が短く配置されていてもよい。
【０００９】
更に、上記ヒートシンクでは、前記分流整流板は、内側に位置するものほど前記放熱面との間隔が短くてもよい。
【００１０】
更に、本発明に係る照明装置は、略円形の平板状のベースと、前記ベースの一方の面である実装面に配置された発光素子と、前記ベースの他方の面である放熱面に放射状に配置された複数枚の放熱フィンと、前記放熱面から間隔を空けて、前記複数枚の放熱フィンの周囲を部分的に取り囲み且つ該放熱フィンからの空気流を方向決めする包囲整流部材とを備えている。
【００１１】
更に、上記照明装置では、前記包囲整流部材の内側に、同心状に設けた複数の分流整流板を備えていてもよい。
【００１２】
更に、上記照明装置では、前記分流整流板は、内側に位置するものほど前記ベースの放熱面との距離が近くなっていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、放熱効率の良い新規なヒートシンクを提供することが出来る。
更に、本発明によれば、放熱効率の良い新規なヒートシンクを使用した照明装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施形態に使用される放熱フィンを示す図である。
【図２】図２は、図１の放熱フィンと、この放熱フィンの上方で、冷却フィンの周囲をフィン高さ方向に関して部分的に取り囲んだ包囲整流部材とを備えた本実施形態に係るヒートシンクの基本形体を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示すヒートシンクに対して、更に、包囲整流部材の内側に分流整流板を設けた実施形態であり、図３Ａでは２枚の分流整流板を設けたヒートシンクの実施形態である。
【図３Ｂ】図３Ａと同様の実施形態であり、図３Ｂでは４枚の分流整流板を設けたヒートシンクの実施形態を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａ及び図３Ｂと同様の実施形態であり、図３Ｃで９枚の分流整流板を設けたヒートシンクの実施形態を示す図である。
【図４】図４は、図３Ａ〜図３Ｃに対する変形例であって、分流整流板の高さ方向（Ｙ方向）の位置が、外側から中央部にかけて放熱面に順次近く配置されている実施形態を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図２に示す放熱フィンと包囲整流部材とを備えた基本形態のヒートシンクにおける冷却流の流れの様子を説明する図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図３Ａ〜図３Ｃに示す放熱フィン、包囲整流部材及び分流整流板を備えたヒートシンクにおける冷却流の流れの様子を説明する図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、放熱面から包囲整流部材までの高さ方向（Ｙ方向）の寸法Ｌを説明する図である。
【図６Ａ】図６Ａは、表１に示す実験結果をグラフにしたものである。
【図６Ｂ】図６Ｂは、表２に示す実験結果をグラフにしたものである。
【図７】図７は、実験に使用した各サンプルの温度分布をコンピュータによりシミュレーションした図である。
【図８Ａ】図８Ａは、図２に示すヒートシンクの実施形態を採用した照明装置の斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａに示す照明装置の底面図（ガラスカバーを透してＬＥＤが見える。）である。
【図９Ａ】図９Ａは、図３Ａ〜図３Ｃに示すヒートシンクの実施形態を採用した照明装置の斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａに示す照明装置の底面図（ガラスカバーを透してＬＥＤが見える。）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るヒートシンク及びこれを使用した照明装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図中、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複する説明を省略する。なお、発光素子として代表的には発光ダイオード（ＬＥＤ）及び半導体レーザ（ＬＤ）が知られているが、本発明に関してはいずれも差異が無いため、以下、ＬＥＤを例にとって説明する。
【００１６】
［ヒートシンク］
（基本形体）
図１は、本実施形態に使用される放熱フィン５を示す図である。ベース２に対して、複数枚のフィン４が並列状態で立設されている。ベース２及びフィン４は、熱伝導性の良い材料、例えば、金属から形成されている。代表的には、アルミニウム、鉄、銅などが用いられている。ベース２の裏面２ｂには、１個又は２個以上のＬＥＤ（図示せず。）が実装されている。ベース２の表面２ａは、放熱面と称す。
【００１７】
図では、フィン４は矩形の平板状であり、隣接するフィン４が平行に配置されているが、これに限定されない。実際の照明装置では、図８Ａ及び図９Ａに示すように、フィン４は照明装置の形状に制約され、矩形でない場合もある。また、フィン４は軸中心から半径方向外向きに放射状に配置され、厳密には平行に配置されていない。従って、本出願書類では、フィン４は、任意の外形形状をもった平板状であり、ほぼ平行に配置されているものと理解されたい。
【００１８】
照明装置に実装されたＬＥＤの温度を下げる方法は、（１）放熱面積（表面積）を増やす、（２）表面の放熱効率を増大させる、（３）照明装置に流入する周囲温度を下げる又は上げない、の３通りが有る。ここで、フィン４は、ＬＥＤから熱伝導によって発生した熱を広い面に伝え、発熱体と空気とが触れ合う表面積を大きくしている。
【００１９】
図２は、図１の放熱フィンと、この放熱フィンの上方で、冷却フィンの周囲をフィン高さ方向に関して部分的に取り囲んだ包囲整流部材とを備えた本実施形態に係るヒートシンクの基本形体を示す図である。フィン４の間隙にある空気は温められて上昇する。外部の比較的冷たい空気が、温められた上昇流に流入し上昇流は乱流となり、拡がる傾向にある。そこで、複数枚の放熱フィン５の上部周囲を全体的に取り囲んだ包囲整流部材６を設けている。包囲整流部材６は、外部の比較的冷たい空気が温かい上昇流に混流するのを防止する機能を奏し、温かい上昇流は整流のまま比較的遠くまで上昇する。この結果、ＬＥＤの温度を下げる方法（３）で説明したように、照明装置の周囲の空気は上昇流の影響を受けず、フィン４には冷たい空気が流入する効果が有る。
【００２０】
包囲整流部材６は、上昇流と周囲の空気が混ざるのを防止する部材であればよく、例えば、金属、合成樹脂等から形成される。
【００２１】
（包囲整流部材の内側に分流整流板を設けた実施形態）
図３Ａ〜図３Ｃは、図２に示すヒートシンク１０に対して、更に、包囲整流部材６の内側に複数枚の分流整流板８を設けた実施形態を示す図である。ここで、図３Ａでは２枚の分流整流板８を設けた実施形態、図３Ｂでは４枚の分流整流板８を設けた実施形態、図３Ｃでは９枚の分流整流板を設けた実施形態を夫々示している。
【００２２】
図５Ｃを参照されたい。分流整流板８の下端は、フィン４の上端よりベース２に近い。即ち、図では明確でないが、分流整流板８の下端部には、フィン４の枚数、位置及び厚みに対応した溝（図示せず。）が形成されており、フィン４の上端部が組み込まれている。即ち、分流整流板８の下端部は、櫛の歯状に形成されている。
【００２３】
図３Ａ〜図３Ｃでは、フィン４の配列方向と分流整流板８の配列方向が直交するように描かれている。しかし、これに限定されない。実際の照明装置では、図９Ａに示すように、フィン４は、軸中心から半径方向外向きに放射状に配置されている。このフィン４の上部に、テープ状の輪の形状の分流整流板８が、複数個、同心状に配置されている。従って、本出願書類では、分流整流板８は、フィン４に対して或る角度をもって配置されているものと理解されたい。
【００２４】
（分流整流板の高さ方向位置を変えた変形例）
図４は、図３Ａ〜図３Ｃに対する変形例であって、分流整流板８ａの高さ方向（Ｙ方向）の位置が、外側から中央部にかけて放熱面２ａに順次近く配置されている実施形態を示す図である。なお、図４では、図３Ｃに対応した９枚の分流整流板８ａを設けたヒートシンクの場合を示している。
【００２５】
図５Ａ〜図５Ｂを参照されたい。ベース２の実装面２ｂのほぼ中央部にＬＥＤ１２が実装されている場合、放熱面２ｂでは周辺部と比較して中央部が高温になる。この場合、中央部のフィン４の間隙にある空気が比較的高温になると予想される。比較的高温の上昇流を、早めに分流整流板８ａで補足して乱流になるのを防止し、整流のまま上方遠くに導き、周囲の冷たい空気との混流を防止している。
【００２６】
［冷却流の流れ］
図５Ａは、図２に示す放熱フィン４と包囲整流部材６とを備えた基本形体のヒートシンク１０における冷却流の流れ１６ａの様子を説明する図である。ベース２の裏面（実装面）２ｂにＬＥＤ１２が実装され、例えば、透光性のガラス又は合成樹脂から成る透明部材１４で覆われている。表面（放熱面）２ａには、フィン４が立設され、フィンの上部周囲は包囲整流部材６で囲まれている。周囲の空気は、ベース２と包囲整流部材６との間から隣接するフィン間の間隙に流入し、フィン４の熱を奪い、上昇流となる。上昇流は、包囲整流部材６に囲まれており、周囲の冷たい空気と混流せず上方に向かう。
【００２７】
図５Ｂは、図３Ａ〜図３Ｃに示す放熱フィン４、包囲整流部材６及び分流整流板８を備えたヒートシンク２０における冷却流の流れ１６ｂの様子を説明する図である。なお、図５Ｃでは、図３Ｃに対応した９枚の分流整流板を設けたヒートシンクの場合を示している。周囲の空気は、ベース２と包囲整流部材６との間から隣接するフィン間の間隙に流入し、フィン４の熱を奪い、上昇流となる。このとき、上昇流は、包囲整流部材６に囲まれ、分流整流板８により更に小さく分流されて上方に向かう整流となっており、周囲の冷たい空気と混流せず上方に向かう。
【００２８】
［実験結果］
以上説明したヒートシンクに関して、実験により冷却効率を検証した。
（実験の条件）
・気温：35℃
・ＬＥＤ：725Ｗランプ用ＬＥＤ
・放熱フィン：
ベースの外形  幅（Ｘ方向）300ｍｍ×奥行き（Ｚ方向）300ｍｍ×厚み（Ｙ方向）27.5ｍｍ  材質はアルミニウム製
フィンの高さ（Ｙ方向）84ｍｍ  材質はアルミニウム製
・ＬＥＤの温度は、ベース２の放熱面２ａで測定した。
【００２９】
（実験１）
表１は、図２に示すフィン４と包囲整流部材６から成る基本形体のヒートシンク１０について、寸法ＬをパラメータとしてＬＥＤ温度を測定した実験１の結果である。比較対象は、図１に示すフィン４のみの放熱フィン５とした。ここで、寸法Ｌは、図５Ｃに示すように、放熱面２ａから包囲整流部材６までの高さ方向（Ｙ方向）の寸法である。表１の結果を図６Ａにグラフで示す。
【００３０】
【表１】
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【００３１】
表１及び図６Ａに示す実験結果は、包囲整流部材の無い比較対象と比較して、包囲整流部材６を設けたサンプルＮｏ．１〜３は、いずれも冷却効果が高いことを示している。放熱面から包囲整流部材までの高さ方向（Ｙ方向）の寸法Ｌに関しては、サンプルＮｏ．１〜３間で大きな差は無いが、Ｌ＝75ｍｍの場合が最も冷却効果が高いことを示している。
【００３２】
この実験結果から、包囲整流部材６によりフィンから出た上昇流は、煙突効果により、フィン上方にある比較的冷たい空気と混流すること無く遠くまで運ばれて、フィンに新たに流入する空気が温められるのを防止していると考察される。
【００３３】
（実験２）
表２は、図３Ｃに示すフィン４、包囲整流部材６及び９枚の分流整流板８から成るヒートシンク２０について、寸法ＬをパラメータとしてＬＥＤ温度を測定した実験２の結果である。同時に、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、寸法Ｌ＝７５ｍｍに固定して、整流板の枚数ｎをパラメータとしてＬＥＤ温度を測定した結果も表示する。更に、図４に示す分流整流板８ａの高さ方向（Ｙ方向）の位置を外側から中央部にかけて放熱面２ａに順次近く配置されている実施形態のＬＥＤ温度を測定した結果も表示する。比較対象は、図１に示すフィン４のみの放熱フィン５とした。表２の結果を図６Ｂにグラフで示す。
【００３４】
実験の条件として、次の事項が追加されている。
・分流整流板の枚数ｎと隣接する分流整流板の間隙ｇの関係
枚数ｎ＝２のとき、間隙ｇ＝120ｍｍ
枚数ｎ＝４枚のとき、間隙ｇ＝60ｍｍ
枚数ｎ＝９枚のとき、間隙ｇ＝30ｍｍ
【００３５】
【表２】
2017174634.tif 000004
【００３６】
表２及び図６Ｂに示す実験結果の内、サンプルＮｏ．４〜６に関して、包囲整流部材の無い比較対象と比較して、包囲整流部材６を設けたサンプルＮｏ．１〜３は、いずれも冷却効果が高いことを示している。更に、表１及び図７Ａに示した分流整流板が無いヒートシンク１０と比較して、約2〜3℃低い温度を示しており、冷却効果が高く現れている。寸法Ｌに関しては、サンプルＮｏ．４〜６間で大きな差は無いが、表1の場合と同様に、Ｌ＝75ｍｍの場合が最も冷却効果が高いことを示している。
【００３７】
サンプルＮｏ．４〜６に関しては、分流整流板８の枚数には大きな差は無かった。サンプルＮｏ．１０に関しては、他のいずれのサンプルに比較して、最も高い冷却効果が認められた。
【００３８】
この実験結果から、包囲整流部材６の有効性が確認できた。放熱フィンは複数のフィンが並列状態にあり、フィンから出る上昇流はフィンの走行方向には拡散可能である。これに対して、包囲整流部材６の並列方向はフィンの並列方向と直交しているため、フィンから出る上昇流のフィン走行方向への拡散も防止されているものと思われる。分流整流板８の最適枚数は、今回の実験では判明しなかった。また、サンプルＮｏ．９の分流整流板８ａの高さ方向位置を変えたヒートシンク２０ａは、最も高い冷却効率を示していた。今回の結果は、ベースの実装面２ｂの中央部にＬＥＤを実装してあるため、放熱面２ａの中央部では分流整流板８ａにより早めに高温の上昇流を補足して、上方に比較的遠くに運ぶことが有効であった。従って、実際の照明装置ではＬＥＤの実装位置がいろいろあるため、予め、分流整流板無しの状態でベース放熱面の温度分布を測定し、高温の箇所に対しては分流整流板８ａを近くに配置することが有効と考察される。
【００３９】
図７は、実験に使用した各サンプルの温度分布をコンピュータによりシミュレーションした図である。フルカラー表示の温度分布を、特許出願書類の制約によりグレースケール表示に変換している。
【００４０】
（Ａ）〜（Ｄ）は、次のサンプルの温度分布である。（Ａ）：サンプルＮｏ．１、  （Ｂ）：サンプルＮｏ．２、  （Ｃ）：サンプルＮｏ．５、  （Ｄ）：サンプルＮｏ．１０、
フルカラー表示の温度分布で見ると、（Ａ）では、最も高温の上昇流が示され、これが中央部に収束しながら上昇している。（Ｂ）では、包囲整流部材内の領域で上昇流が拡散されて温度が低くなっている。（Ｃ）では、分流整流板により、包囲整流部材内の領域で上昇流が拡散すること無く、垂直に上がっている。（Ｄ）では、上昇流が更に垂直方向に真っ直ぐ移動している。（Ａ）〜（Ｄ）にしたがって、ベース実装面の温度が低くなっており、冷却効果が高くなっている。
【００４１】
［ヒートシンクを使用した照明装置］
図８Ａは、図２に示すヒートシンク１０を採用した照明装置の斜視図である。なお、図８Ａでは、図を見易くするため、包囲整流部材が省略されているが、実際は、放熱フィン４を覆うように（中央に開口がある）鍋形状のフィンカバーがあり、これが包囲整流部材として機能している。図８Ｂは、図８Ａに示す照明装置の底面図（ベースの実装面２ｂ）であり、ガラスカバー（図示せず。）を透してＬＥＤ１２が見える。
【００４２】
図９Ａは、図３Ａ〜図３Ｃに示すヒートシンク２０を採用した照明装置の斜視図である。同様に、包囲整流部材が省略されている。この照明装置では、分流整流板８は、テープ状の輪の形をしており、放熱フィン４に対して複数の分流整流板８が同心状に配置されている。
【００４３】
図８Ａ及び図９Ａに示す照明装置に関して、冷却効果をコンピュータシミュレーションにより確認した。その結果を、表３に示す。
【００４４】
（実験の条件）
ＬＥＤ発熱量：110Ｗ
気温：35℃
【００４５】
【表３】
2017174634.tif 000005
【００４６】
この結果より、図８Ａのランプ（分流整流板無し）に比較して、図９Ａのランプ（分流整流板有り）は、LED温度が平均値で6.59℃低いことを示している。即ち、分流整流板の効果が確認できた。
【００４７】
［変形例］
以上、自然冷却のヒートシンクに関して説明したが、これに限定されない。冷却ファンを備えた強制冷却においても、上述したヒートシンクは有効である。
【００４８】
［まとめ］
以上、本発明に係るヒートシンク及びこれを使用した照明装置の実施形態について説明したが、これらは、本発明の範囲を限定するものではない。当業者が容易になし得る本実施形態に関する追加、削除，変更、改良等は、本発明の範囲に含まれる。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。
【符号の説明】
【００４９】
２：ベース、  ２ａ：放熱面、  ２ｂ：実装面、  ４：フィン，放熱フィン、  ５：放熱フィン、  ６：包囲整流部材、  ８，８ａ：分流整流板、  １０：ヒートシンク、  １４：透明部材、  ２０，２０ａ：ヒートシンク
【図１】
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【図２】
2017174634.tif 000007
【図３Ａ】
2017174634.tif 000008
【図３Ｂ】
2017174634.tif 000009
【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
2017174634.tif 000017
【図８Ａ】
2017174634.tif 000018
【図８Ｂ】
2017174634.tif 000019
【図９Ａ】
2017174634.tif 000020
【図９Ｂ】
2017174634.tif 000021