(57)【要約】      （修正有）【課題】上方から吊り下げて、下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用して好適な自然冷却用放熱フィンを提供する。【解決手段】自然冷却用放熱フィンは、鉛直方向に配置される自然冷却用の放熱フィン集合体４−２であって、鉛直方向に等間隔に複数個の開孔８が形成されており、複数個の開孔８の鉛直方向の配置間隔は、開孔８の寸法と同じであり、開孔８の寸法は、式(1)により算出される。2017022335.tif 000013【選択図】図１Ｂ
2017022335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に配置される自然冷却用の放熱フィンであって、
鉛直方向に等間隔に複数個の開孔が形成されており、
前記複数個の開孔の鉛直方向の配置間隔は、前記開孔の寸法と同じであり、
前記開孔の寸法は、式(1)により算出されることを特徴とする、放熱フィン。
【数１】
2017022335.tif 000012
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然冷却用の放熱フィンに関する。更に具体的には、本発明は、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用して好適な自然冷却用の放熱フィンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ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の間に密接な関係にある。即ち、ＬＥＤランプでは、ＬＥＤ素子の温度が高いとランプ寿命が短くなり、ランプ照度も劣化する。そのため、ＬＥＤランプは、適切に冷却することが重要である。従って、ＬＥＤランプを組み込んだＬＥＤ照明装置では、種々の冷却手段が採用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2002-57255「フィン間隔算出装置および方法」（公開日：2002/02/22）出願人：日本電気株式会社
【特許文献２】特開2003-68944「強制対流冷却型ヒートシンクの最適フィン間隔算出方法と装置ならびにヒートシンク」（公開日：2003/03/07）出願人：日本電気株式会社
【特許文献３】特開2003-37226「エレクトロニクス冷却のための高性能ヒート・シンク」（公開日：2003/02/07）出願人：デルファイ・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】相原利雄：伝熱工学，掌華房（第14版），p100-103(2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＥＤ素子の発熱を効率よく冷却する放熱手段として、種々の形状のヒートシンクが知られている。ＬＥＤ照明装置では、天井等に設置されたソケットにランプの口金を取り付け上方から吊り下げて、下方を照らすタイプが多く見られる。このようなタイプのＬＥＤ照明装置では、ヒートシンクの重量が重いと、ソケット等の取付け金具を破損するおそれがある。従って、ＬＥＤ照明装置に組み込まれるヒートシンクは、軽量化が必要とされる。
【０００６】
典型的なヒートシンクは、アルミニウム又は銅のような熱伝導性の良好な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。ヒートシンクを軽量化する方法として、各放熱フィンを形成する板金の板厚を薄くする方法がある。しかし、板金を成形して特定の形状の放熱フィンを製作するためには、板金の成形性や剛性の観点から、板金の板厚に一定の限界がある。即ち、薄すぎる板金は、自重を支えきれず、その特定の形状を一定に保持することが出来ない。従って、ヒートシンクの軽量化は、放熱フィンを形成する板金の板厚を薄くする方法だけでは限界がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上方から吊り下げて、下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用して好適な新規な自然冷却用放熱フィン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】
【０００８】
上記目的に鑑みて、本発明に係る自然冷却用放熱フィンは、鉛直方向に配置される自然冷却用の放熱フィンであって、鉛直方向に等間隔に複数個の開孔が形成されており、前記複数個の開孔の鉛直方向の配置間隔は、前記開孔の寸法と同じであり、前記開孔の寸法は、式(1)により算出されることを特徴とする、放熱フィン。
【０００９】
【数１】
2017022335.tif 000003
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用して好適な新規な自然冷却用放熱フィンを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用される自然冷却用放熱フィンをシミュレーションするための実験モデルを示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、同様に、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用される自然冷却用放熱フィンをシミュレーションするための実験モデルを示す図である。図１Ｂの実験モデルは、図１Ａの実験モデルと比較すると、放熱フィン集合体４−２の放熱フィンに開孔が形成されている点で相違する。
【図２Ａ】図２Ａは、図１Ａに示す実験モデルの放熱フィンのシミュレーション結果を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１Ｂに示す実験モデルの放熱フィンのシミュレーション結果を示す図である。
【図３】図３は、図１Ｂの実験モデルの放熱フィン４−２ａの表面を説明する図である。
【図４】図４は、表２の数値を用いて、放熱フィン４−２ａの下端部からの距離x[m]に対する温度境界層の厚みδ(x) [m]及びその局所熱伝達率h(x) [W/m2・K]の関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る自然冷却用の放熱フィン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。
【００１３】
（実験モデル）
図１Ａは、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用される自然冷却用放熱フィンをシミュレーションするための実験モデルを示す図である。この実験モデル１０−１は、全体的に、受熱ブロック２と、放熱フィン集合体４−１と、これら両者を熱的に接続する高熱伝導部材６を備えている。
【００１４】
図１Ｂは、同様に、上方から吊り下げて下方を照らすタイプのＬＥＤ照明装置に採用される自然冷却用放熱フィンをシミュレーションするための実験モデルを示す図である。図１Ｂの実験モデル１０−２は、図１Ａの実験モデルと比較すると、放熱フィン集合体４−２の各放熱フィンに開孔８が形成されている点で相違する。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示す受熱ブロック２は、裏面２ｂにＬＥＤ実装基板（図示せず。）を接続した受熱部材をモデル化したものである。このＬＥＤ実装基板は、例えば、発熱源であるＬＥＤ素子を搭載し、必要な電気的配線パターンを形成したプリント回路板から成る。
【００１６】
放熱フィン集合体４−１は、複数枚の放熱フィンから成り、各放熱フィンは鉛直方向に配置されている。放熱フィン集合体４−２も同様に、複数枚の放熱フィンから成り、各放熱フィンは鉛直方向に配置されている。
【００１７】
高熱伝導部材６は、受熱ブロック２の熱を放熱フィン集合体４−１，４−２にロス無く伝導出来ればよく、典型的には、ヒートパイプから成る。例えば、ヒートパイプは、受熱ブロック２の表面２ａと、放熱フィン集合体４−１，４−２との間を熱的にロス無く接続している。
【００１８】
表１は、図１Ａの放熱フィン及び図１Ｂの放熱フィンの形状等を示したものである。
【表１】
2017022335.tif 000004
【００１９】
（放熱フィンのシミュレーションの条件）
放熱フィンの熱的挙動をシミュレーションする条件は、次の通りである。
【００２０】
・気温（周囲温度）：35 ℃
・発熱：40 Ｗ
・発熱箇所：受熱ブロック２の裏面２ｂ
・高熱伝導部材６：受熱ブロック２と放熱フィン集合体４−１，４−２との間を接続
図２Ａは、図１Ａに示す実験モデルの受熱ブロック２の発熱状況のシミュレーション結果を示す図である。これに対して、図２Ｂは、図１Ｂに示す実験モデルの受熱ブロック２の発熱状況のシミュレーション結果を示す図である。図２Ａ及び図２Ｂには、各々、受熱ブロック２と、その表面２ａに配置されたヒートパイプ６とが示されている。図で見て、受熱ブロック２の上半分２ｕは表面温度パターンを示し、下半分２dは受熱ブロック２とヒートパイプ６の結合状態を示している。
【００２１】
表２は、図２Ａ及び図２Ｂの受熱ブロック２の表面温度のデータである。
【表２】
2017022335.tif 000005
【００２２】
図２Ａ及び図２Ｂの表面温度パターンを見ると、全体的には高温状態であるが、ヒートパイプ６の接続箇所に沿って熱が放熱フィン集合体４−１，４−２側に伝導されて局部的に低い温度になっていることが分かる。即ち、受熱ブロック２の熱が、ヒートパイプ６を伝わって放熱フィン集合体４−１，４−２から効果的に放熱していることが分かる。
【００２３】
（新規な放熱フィンの構成）
ここで、放熱フィン（例えば、４−２ａ）について説明する。式（１）は、前掲非特許文献１のp103に示された近似式(4.25)である。この伝熱工学の試算に基づき、板金で形成された放熱フィン４−２ａの表面に存在する温度境界層を剥離して伝熱効率を向上するパターンを実現する開孔８（本出願書類では、「欠損部」ともいう。）を形成する。
【００２４】
図３は、図１Ｂの実験モデルの放熱フィン４−２ａの表面を説明する図である。図３に示す開孔（欠損部）８の鉛直方向のピッチｐが、式(1)の解として与えられるxに等しい値になるように、開孔（欠損部）８を形成する。
【００２５】
【数２】
2017022335.tif 000006
【００２６】
式(1)は、次のように求められる。空気中に置かれた発熱する鉛直平板表面に生じる温度境界層の厚みδ(x)は、鉛直平板の下端から上向きに測った距離xとすると、式(2)で与えられる。
【００２７】
【数３】
2017022335.tif 000007
【００２８】
【数４】
2017022335.tif 000008
【００２９】
【数５】
2017022335.tif 000009
【００３０】
また、放熱フィンの下端部から距離xの鉛直平板の熱伝達率h(x)は、式(4)で与えられる。
【００３１】
（放熱フィンのシミュレーションの結果）
【００３２】
表３は、この実施例における空気中の鉛直平板フィンに関する特性及び条件を示している。
【表３】
2017022335.tif 000010
【００３３】
図４は、表３の数値を用いて、放熱フィン４−２ａの下端部からの距離x[m]に対する温度境界層の厚みδ(x) [m]及びその局所熱伝達率h(x) [W/m2・K]の関係を示したグラフである。
【００３４】
図４のグラフによると、鉛直平板フィンの板温度60 [℃]、気温35 [℃]の条件では、鉛直平板フィン下端部からの距離x＝8 [mm]程度の位置で、温度境界層の厚みδ(x)＝8 [mm]程度となる。ここで、この温度境界層を消滅させるため、鉛直平板に直径8 [mm]程度の開孔（欠損部）を空けると、熱伝達率の減少はリセットされる。
【００３５】
ところで、鉛直平板フィン全体の熱伝達率は、局所熱伝達率のグラフの面積で与えられる。もしリセットを含まないグラフと、リセットを周期的に繰り返すグラフの面積が等しければ、放熱能力は等しいことになる。
【００３６】
表４は、開孔（欠損部）無しの鉛直平板フィンと、8 [mm]間隔で直径8 [mm]程度の開孔（欠損部）が有る鉛直平板フィンとの表面温度のシミュレーションの結果である。
【表４】
2017022335.tif 000011
【００３７】
表４に示すように、開孔（欠損部）無しの鉛直平板フィンと、8 [mm]間隔で直径8 [mm]程度の開孔（欠損部）が有る鉛直平板フィンとは、放熱能力がおおよそ等しくなっている。この結果、放熱能力に関しては略等しいので、開孔（欠損部）有り鉛直平板フィンは、開孔（欠損部）無しの鉛直平板フィンに対して、軽量化が達成出来ている。
【００３８】
［まとめ］
以上、本発明に係る自然冷却用の放熱フィン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】
【００３９】
２：受熱ブロック、  ２ａ：表面、  ２ｂ：裏面、  ２ｕ：上半分、  ２d：下半分、  ４−１，４−２：放熱フィン集合体、  ４−２ａ：放熱フィン、  ６：ヒートパイプ，高熱伝導部材、  ８：開孔，欠損部、  １０−１，１０−２：実験モデル、
ｐ：ピッチ
【図１Ａ】
2017022335.tif 000014
【図１Ｂ】
2017022335.tif 000015
【図３】
2017022335.tif 000016
【図４】
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【図２Ａ】
2017022335.tif 000018
【図２Ｂ】
2017022335.tif 000019