(57)【要約】  屋外発光ダイオード（ＬＥＤ）照明器具は、２以上の表面を有するプラスチックハウジングと、２以上の表面の１種以上に結合されたプリント回路基板（ＰＣＢ）であって、基板及び基板上の導電性表面を含むＰＣＢと、ＰＣＢに取り付けられた複数のＬＥＤ光源とを含み、導電性表面の第１の部分は、複数のＬＥＤ光源と電気的に接続した導電性経路を形成し、導電性表面の第２の部分は、複数のＬＥＤ光源の間及び複数のＬＥＤ光源の周りの少なくとも一方の複数の位置に熱パッドを形成し、熱パッドは、複数のＬＥＤ光源によって生成された熱を放散するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）照明器具（１００）であって、
２以上の表面を有するハウジング（１１０）であって、少なくとも部分的にプラスチック材料で形成されたハウジング（１１０）と、
２以上の表面の１種以上に結合されたプリント回路基板（ＰＣＢ）であって、基板及び基板上の導電性表面を含むＰＣＢ（１２０）と、
ＰＣＢ（１２０）に取り付けられた複数のＬＥＤ光源（１３０）と
を備えており、導電性表面の第１の部分は、複数のＬＥＤ光源（１３０）と電気的に接続した導電性経路（１５０）を形成し、導電性表面の第２の部分は、複数のＬＥＤ光源（１３０）の間及び複数のＬＥＤ光源（１３０）の周りの少なくとも一方の複数の位置に熱パッド（１６０，２６０）を形成し、熱パッド（１６０，２６０）は、複数のＬＥＤ光源（１３０）によって生成された熱を放散するように構成される、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明器具（１００）。
【請求項２】
導電性表面は、電気的及び熱的に伝導性である、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項３】
導電性経路（１５０）は、熱パッド（１６０，２６０）から電気的に絶縁されている、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項４】
導電性経路（１５０）は、熱パッド（１６０，２６０）に電気的に接続されている、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項５】
導電性経路（１５０）と電気的に接続した電気的駆動回路（１４０）を含み、電気的駆動回路（１４０）は複数のＬＥＤ光源（１３０）に電力を供給する、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項６】
複数のＬＥＤ光源（１３０）の近位に配置された光学ユニット（２３２）を含む、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項７】
熱パッド（１６０，２６０）は、ＰＣＢ（１２０）を自己冷却するのに十分な表面積を有する、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項８】
熱パッド（１６０，２６０）の表面積は、導電性表面の厚さ及び導電性表面の熱伝導特性を含む導電性表面の１以上の特性から決定される、請求項７に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項９】
複数のＬＥＤ光源（１３０）のうちの１つについての熱パッド（１６０，２６０）の表面積が、平方メートル単位で、ｋ×ｔ＞０．０２５Ｗ／Ｋの場合に、式Ａ／ＱLED＝２×１０-3ｍ2／Ｗで決定される、請求項７に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
式中、ＱLEDは単一のＬＥＤ光源（１３０）によって生成される熱出力であり、
ｋは導電性表面の熱伝導率であり、
ｔは導電性表面の厚さである。
【請求項１０】
ハウジング（１１０）は、熱的に強化されていないプラスチック材料を含む、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項１１】
熱的に強化されていないプラスチック材料は、約０．５Ｗ／ｍ−Ｋ未満の熱伝導率を有する、請求項１０に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項１２】
ハウジング（１１０）は、熱伝導率が強化されたプラスチック材料を含む、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項１３】
強化された熱伝導率を有するプラスチック材料は、約０．５Ｗ／ｍ−Ｋ以上の熱伝導率を有する、請求項１２に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項１４】
ＰＣＢ（１２０）は、自己冷却型であり、複数のＬＥＤ光源（１３０）によって生成された熱を放散させるのに十分な表面積及び導電層の厚さを有するように構成されている、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
【請求項１５】
生成された熱の熱負荷によって決定される熱パッド（１６０，２６０）の量を含み、複数のＬＥＤ光源（１３０）のうちの１つの熱パッド（１６０，２６０）は、ｋ×ｔ＞０．０２５Ｗ／Ｋの場合に、式Ａ／ＱLED＝２×１０-3ｍ2／Ｗで算出される表面積（平方メートル単位）を有する、請求項１に記載のＬＥＤ照明器具（１００）。
式中、ＱLEDは、単一のＬＥＤ光源（１３０）によって生成される熱出力であり、
ｋは導電性表面の熱伝導率であり、
ｔは導電性表面の厚さである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックハウジングを有する屋外ＬＥＤ照明器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の屋外照明器具用のハウジングは、通常、ダイカスト法によってアルミニウムから作られている。ダイカスト法は、高い材料費及び高い金型費を要する可能性がある。発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を有する屋外照明器具は、通常、ダイカストハウジング内に配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）上に配置されたＬＥＤ光源を有する。
【０００３】
ＬＥＤ光源が取り付けられるＰＣＢは、通常、ハウジングの内部よりも小さく、個々のＬＥＤ光源が互いに近接して配置される。このＬＥＤ光源配置の密度のために、ＰＣＢ及びＬＥＤ光源から熱を奪うヒートシンクとして、高い熱伝導性の材料（銅、アルミニウムなど）を使用する必要がある。熱接触を改善するために、ＰＣＢとヒートシンクとの間に熱接触材料、例えばグリースを塗工することができる。これらの従来のＬＥＤ屋外照明器具は、照明器具の複数のＬＥＤ光源の上に配置された光学ユニット（例えば、レンズ、反射器、シールド、カバーなど）を有することが多い。
【０００４】
プラスチックハウジングを有する従来のＬＥＤ照明器具は、通常、屋外照明器具のためには製造されていない。プラスチックハウジングを有するいくつかのＬＥＤ照明器具は、熱伝導性のプラスチックで作られ、或いはＰＣＢがプラスチックハウジングと直接熱接触しないようにＬＥＤ光源ＰＣＢとハウジングとの間のヒートシンクを使用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／１１３６３０号明細書
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】いくつかの実施形態に係る屋外ＬＥＤ照明器具の斜視図である。
【図２】いくつかの実施形態に係る、ＰＣＢ上に取り付けられた１つのＬＥＤ光源を示す、図１のＬＥＤ照明器具の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態に係るシステム及び方法は、プラスチック材料からなるハウジングと、直接又は熱インターフェース材料を介してハウジングに結合及び／又は接続されたＬＥＤ  ＰＣＢとを含む低コストの屋外ＬＥＤ照明器具を提供する。このＬＥＤ  ＰＣＢはハウジングと熱接触する。
【０００８】
実施形態では、ハウジングは、強化された熱伝導特性を有しないプラスチック材料（例えば、ガラス繊維、炭素繊維などで強化されたＡＢＳ、ＰＣ、ＰＡ６．６などの工業用プラスチック）で構成することができる。他の実施形態では、ハウジングは、強化された熱伝導特性（例えば、約＞０．５Ｗ／ｍ−Ｋ）を有するプラスチック材料で構成されてもよい。
【０００９】
一例として、網羅的なリストではないが、ハウジングは、多種多様な熱可塑性樹脂、熱可塑性樹脂のブレンド、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とのブレンド、並びにこれらの１種以上を含む組合せから形成することができる。プラスチックはまた、ポリマー、コポリマー、ターポリマー又はこれらの１種以上を含む組合せのブレンドであってもよい。プラスチックはまた、オリゴマー、ホモポリマー、コポリマー、ブロックコポリマー、交互ブロックコポリマー、ランダムポリマー、ランダムコポリマー、ランダムブロックコポリマー、グラフトコポリマー、スターブロックコポリマー、デンドリマーなど又はこれらの１種以上を含む組合せであってもよい。例として、ポリアセタール、ポリオレフィン、ポリアクリレート、ポリ（アリーレンエーテル）ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエステル（例えば、脂環式ポリエステル、高分子量ポリマーグリコールテレフタレート又はイソフタレートなど）、ポリアミド（例えばＰＡ４．Ｔ、ＰＡ６．Ｔ、ＰＡ９．Ｔなどの半芳香族ポリアミド）、ポリアミドイミド、ポリアリーレート、ポリアリールスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリベンズオキサゾール類、ポリフタリド類、ポリアセタール類、ポリ無水物、ポリビニルエーテル、ポリビニルチオエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルケトン、ポリビニルハライド、ポリビニルニトリル、ポリビニルエステル、ポリスルホネート、ポリスルフィド、ポリチオエステル、ポリスルホン、ポリスルホンアミド、ポリウレア、ポリホスファゼン、ポリシラザン、スチレンアクリロニトリル、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレン、パーフルオロアルコキシエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなど、又は上記の有機ポリマーの１種以上を含む組合せが挙げられる。ポリオレフィンの例としては、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、線状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）を含むポリエチレン（ＰＥ）、グリシジルメタクリレート変性ポリエチレン、無水マレイン酸官能化ポリエチレン、無水マレイン酸官能化エラストマーエチレンコポリマー、エチレン−ブテン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−メチルアクリレート、エチレン−エチルアクリレートなどのエチレン−アクリレートコポリマー、エチレンブチルアクリレート共重合体、グリシジルメタクリレート官能化エチレン−アクリレートターポリマー、無水物官能化エチレン−オクテン及び無水物官能化エチレン−ブテンコポリマー、ポリプロピレン（ＰＰ）、無水マレイン酸官能化ポリプロピレン、グリシジルメタクリレート変性ポリプロピレン、並びにこれらの１種以上を含む組合せが挙げられる。
【００１０】
強化された熱伝導特性を有さないプラスチック材料の使用は、より低い材料コスト及び処理コストの手法を提供する。屋外ＬＥＤ照明器具を具現化することは、限定はしないが、街灯、エリア照明、駐車場照明、洪水照明、建築照明、スポーツ照明などの、照明器具の光束が１０００ルーメンを超える、高出力、高照明の用途に使用することができる。
【００１１】
実施形態では、屋外ＬＥＤ照明器具は、従来のプラスチック又は工業用プラスチックで作られたハウジングと、ハウジングに直接取り付けられたＬＥＤ  ＰＣＢとを含むことができる。高出力の照明器具のハウジングにプラスチック材料を利用することにより、より軽量で電気的な絶縁と共に、より低い製造コスト及び／又は生産コストを達成することができる。
【００１２】
プラスチックハウジングを有する従来のＬＥＤ照明器具は、プラスチックハウジングが断熱材として働き、ハウジング内に熱が蓄積するという点で問題がある。この熱の蓄積は、すでにＬＥＤの接合部温度が高いために、長期的なＬＥＤの信頼性及びルーメンの低下に悪影響を及ぼす。プラスチックハウジングを有する従来のＬＥＤ照明器具は、金属ハウジングと比較して、動作中のＬＥＤの温度上昇を増加させる。
【００１３】
図１は、実施形態に係る屋外ＬＥＤ照明器具１００の斜視図を示す。照明器具１００は、ハウジング１１０及びＰＣＢ１２０を含む。実施形態では、ハウジングは、強化された熱伝導特性を有しないプラスチック材料で構成することができる。実施形態では、ＬＥＤ  ＰＣＢは、ハウジングの外面に取り付けることができ、又はハウジングの内部もしくはその近傍に配置することができる。ＰＣＢは、１以上の表面上に導電性材料を有する基板とすることができる。ＰＣＢの片側には、複数のＬＥＤ光源１３０が取り付けられている。ＰＣＢのこの表面はまた、導電性経路又はアートワークトレース１５０を有し、それはＰＣＢ表面から導電性材料をエッチング除去することによって形成される。ＰＣＢのこの表面には、ＬＥＤ光源の間及び／又はその周囲に配置された熱パッド１６０が配置されている。熱パッド１６０もまた、ＰＣＢの導電層からエッチングされる。いくつかの実施形態では、熱パッドは導電性トレースから電気的に絶縁されている。他の実施態様では、熱パッドと導電性トレースとを電気的に接続することができる。照明器具１００はまた、ＬＥＤ駆動回路１４０を含むことができる。ＬＥＤ駆動回路は、導電性のアートワーク経路に沿ってＬＥＤ光源に電力を供給する。
【００１４】
フーリエの熱伝導の法則によれば、複数のＬＥＤ光源１３０によって生成される熱流束を最小にすることにより、温度勾配を低下させることができ、したがって、ＬＥＤ光源１３０とその周囲環境との間の温度降下を小さくすることができる（例えば、はんだ接合から周囲までの測定では、最大温度降下を約８０℃未満にするべきである）。低い熱流束を達成するために、ＬＥＤ光源１３０がＰＣＢ上に分散される。ヒートシンクとして熱パッドを使用してＬＥＤ光源によって発生した熱を放散させるために、熱的考察に基づいて、ＬＥＤ光源はＰＣＢの表面領域にわたって分散（すなわち、離間）される。このＰＣＢはまた、導電性の高いサーマル層を含み、熱を拡散させるために、このサーマル層から熱パッドがエッチングされる。ＬＥＤ光源を離間させることよって、ＬＥＤ光源によって生成される熱流束を減少させ、また、照明器具によって生成される視覚グレアを低減する。いくつかの実施形態では、ＬＥＤ当たりの最小熱パッド表面積は、式１によって算出することができる。
【００１５】
Ａ／ＱLED＝２×１０-3ｍ2／Ｗ（ｋ×ｔ＞０．０２５Ｗ／Ｋの場合）    式１
これは、ワット単位で測定したＬＥＤの熱出力ＱLEDに対するｍ2単位で測定した面積Ａの比である。ＬＥＤの熱出力は、ＬＥＤによって放出される廃熱出力であり、放射光（ＵＶ又は可視光）の出力を含まない。ＡはＬＥＤあたりの熱パッドの最小表面積である。
【００１６】
上述のように、式（１）は、ｋ×ｔ＞０．０２５Ｗ／Ｋの場合であり、ｋは熱パッド材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ−Ｋで測定）であり、ｔは熱パッド導電層の厚さ（メートルで測定）である。
【００１７】
別の実施形態では、最小熱パッド表面積は、式２によって算出することができる。
【００１８】
【数１】
2017536666.tif 000003
式中、Ｃは１４．７５Ｋ／Ｗに設定された定数であり、Ｃ’は０．０５ｍ1.72889Ｋ0.60３Ｗ-0.603に設定された別の定数である。
【００１９】
式（２）において、ＡはＬＥＤあたりの最小熱パッド表面積（ｍ2で測定）であり、ΔＴJSは、はんだと比較したＬＥＤ接合温度の許容温度上昇（次元：ケルビン）であり、ＲJSは、はんだ対接合部の熱抵抗（次元：Ｋ／Ｗ）であり、ＱLEDは、（上記のように）ＬＥＤによって生成される熱出力（次元：Ｗ）であり、ｋは熱パッド材料の熱伝導率であり、ｔは熱パッド導電層の厚さであり、ＡLED-PCBは、単一のＬＥＤの熱接触面積（次元：ｍ2）である。式（２）は、マルチパラメータシミュレーションを使用して開発され、最小表面積を算出するための公式を生成するために関数が使用された。
【００２０】
ＬＥＤ光源の間に配置された及び／又はＬＥＤ光源を取り囲む熱パッド１６０が熱を拡散し、したがって、熱伝導層とＰＣＢの基板との境界における熱流束を低減する。熱流束が減少するので、ハウジング及びＰＣＢ基板材料が不十分な熱特性（熱伝導率が０．５Ｗ／ｍＫ（ワット／メートル−ケルビン）未満）であっても、熱は許容可能な温度降下でＰＣＢの基板材料及びハウジングを通過することができる。熱の一部は、放射及び／又は対流によって光学素子に伝達され、そこから周囲に放散され得る。ＰＣＢは、自己冷却型であり、複数のＬＥＤ光源によって生成された熱を放散させるのに十分な表面積及び導電層の厚さを有するように構成されている。本明細書で使用される「自己冷却」という用語は、ＰＣＢが本明細書に開示された熱パッド以外の照明器具又はヒートシンクに取り付けられていなくても、ＬＥＤハンダポイントと環境との間の温度降下が許容限界以下であるという意味を有する。
【００２１】
図２は、いくつかの実施形態に係る、単一のＬＥＤ２３０及びＬＥＤが取り付けられているＰＣＢ２２０の一部を示す、図１のＬＥＤ照明器具の拡大図である。ＬＥＤ光源が取り付けられるＰＣＢ表面は、熱パッド２６０を含み、それはＰＣＢに被覆された導電性材料からエッチングされる。ＬＥＤ光源２３０は、ＬＥＤ光源を有するＰＣＢ表面に近接して配置された光学素子２３２によって囲まれている。矢印Ａは、熱パッド２６０を通り、ＰＣＢ基板を通ってハウジング１１０に入る熱伝導の熱流を表す。矢印Ｂは、光学素子２３２の方向の熱放射及び対流を表す。
【００２２】
実施形態では、ＰＣＢ上に設置された特定のＬＥＤ光源のパラメータは、熱パッドに使用される導電層の厚さ、導電層材料の熱伝導率、及び照明器具の熱パッドの比表面積を決定する際に考慮される。これらの考慮事項は、ＰＣＢ上の均一な温度分布のための選択に基づく。熱パッドの数は、熱パッドの熱容量（式１に基づく）とＰＣＢに取り付けられたＬＥＤ光源の数によって決まる。
【００２３】
実施形態では、この配置は、環境への温度勾配がより低くなり、ＬＥＤ照明器具のハウジング及びＰＣＢ基板のための低熱伝導材料の使用を可能にし、ＬＥＤの満足できる接合温度を維持する。したがって、ＬＥＤ光源のヒートシンクは不要である。実施形態では、プラスチックハウジング及び／又はＰＣＢ基板は、熱伝導材料から形成することができる。
【００２４】
実施形態では、熱パッドの寸法、厚さ、及び熱伝導率は、ＰＣＢ上の温度分布がほぼ均一（例えば、ＰＣＢ表面上の面内温度勾配は約１５℃／２５ｍｍ未満）であるように選択される。
【００２５】
さらに、ＰＣＢは、ハウジングとＰＣＢの端部との境界面に最小限の隙間又は気泡が存在するように、照明器具に取り付けられる。したがって、２つの間の熱接触抵抗を低減し、それらの接合部での熱の蓄積を最小にする。ＬＥＤ光源間の間隔は、１チップ当たりの表面積が許容可能な温度上昇で周囲に向かって熱を放散することができるように選択される。例えば、０．５Ｗ／ｍＫにほぼ等しい熱伝導率を有し、１．６ＷのＬＥＤ光源当たりの熱負荷を有する材料で作られた照明器具プラスチックハウジングの場合では、熱パッドサイズはＬＥＤ光源当たり約５５ｍｍ平方である。熱シミュレーションの結果は、この配置が環境に対するより低い温度勾配をもたらし、ＬＥＤ照明器具のハウジング及びＰＣＢ１２０の基板における低熱伝導材料の使用を可能にすることを示している。
【００２６】
屋外照明器具が交換される場合には、回収期間（すなわち、器具の費用を回収するのに必要な時間）を考慮する。実施形態に係る従来のプラスチックハウジングを有する軽量でコンパクトなＬＥＤ照明器具は、既存の設計と比較してより低コストである。同じ性能では、ＬＥＤ照明器具を具現化することは、より短い回収期間を有するであろう。
【００２７】
さらに、ＬＥＤ照明器具を具現化することは、内部アンテナに電磁シールド効果を有さないので、無線通信及び制御機能を実装するための大きな利点である。また、ＬＥＤ照明器具を具現化することはより軽量であり、したがって従来の器具と比較して照明器具を取り付ける付随する光ポールのコストを低減する。
【００２８】
特定のハードウェア及び方法について本明細書で説明したが、本発明の実施形態に従って任意の数の他の構成を提供することができることに留意されたい。したがって、本発明の基本的な新規な特徴について図示し、説明し、指摘してきたが、例示した実施形態の形態及び詳細について、並びにその動作について、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、種々の省略、置き換え、及び変更が当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。一実施形態から別の実施形態への要素の置換も完全に意図され、考慮される。本発明は、添付の特許請求の範囲及びその中の記載の均等物に関してのみ定義される。
【図１】
2017536666.tif 000004
【図２】
2017536666.tif 000005
【国際調査報告】
2017536666.tif 000006
2017536666.tif 000007