(57)【要約】  ＬＥＤ性能及び／又は寿命の熱起因の劣化を低減又は取り除く熱管理システム。システムは、ＬＥＤ動作条件に応答するべく構成された熱制御部を含み、ＬＥＤにおける温度を制限してもよい。一実施形態における熱制御部は、バリスタ、ツェナーダイオード又はアンチヒューズデバイスのようなバイパス制御要素を含み、ＬＥＤを流れる電流を分岐するバイパス回路を含み、ＬＥＤを、例えば、７５℃未満といった冷却状態に保つことができる。システムは、（Ｉ）ＬＥＤで発生する熱を低減し、動作時のＬＥＤの温度を閾値温度未満に維持するべく、ＬＥＤに供給される電力を少なくとも部分的に減衰させる、及び／又は（ＩＩ）動作時のＬＥＤを閾値温度未満に維持するべく、ＬＥＤから熱を取り除くべく構成されてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上のＬＥＤと、
ＬＥＤ動作条件に応答するように設けられ、前記ＬＥＤ動作条件に応答して前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限する熱管理システムと、を備え、
前記熱管理システムは、
（ａ）対流冷却、熱伝導による冷却及び放射冷却のうちの少なくとも１つにより、前記１以上のＬＥＤを冷却する冷却デバイスと、
（ｂ）前記１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも一部、分岐させるバイパス回路とを有する、熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項２】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤへと流れる電流、前記１以上のＬＥＤに印加される電圧、前記１以上のＬＥＤに供給される電力、前記１以上のＬＥＤにおける温度、及び前記ＬＥＤアセンブリの周辺環境温度から選択される請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項３】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤに流れる電流であり、前記バイパス回路は、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく前記１以上のＬＥＤへと流れる電流を制限する請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項４】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤに印加される電圧であり、前記バイパス回路は、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく前記１以上のＬＥＤに印加される電圧を制限する請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項５】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤに供給される電力であり、前記バイパス回路は、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく前記１以上のＬＥＤに供給される電力を制限する請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項６】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤにおける温度である請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項７】
前記ＬＥＤ動作条件は、７５〜９５℃の範囲の閾値温度を上回る前記１以上のＬＥＤにおける温度である請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項８】
前記ＬＥＤ動作条件は、前記１以上のＬＥＤにおける温度であり、前記冷却デバイスは、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく、前記ＬＥＤ動作条件に応答して前記１以上のＬＥＤを冷却する冷却要素を作動させる請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項９】
前記バイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ、及びアンチヒューズデバイスからなる群から選択されるバイパス制御要素を含む請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項１０】
前記バイパス回路は、ヒートシンク構造を更に含む請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項１１】
前記バイパス回路は、前記１以上のＬＥＤの対流冷却のために配置される伝熱面を更に含む請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項１２】
前記熱管理システムは、
前記１以上のＬＥＤの温度を監視し、監視した前記温度を示す信号を生成する熱電対と、
前記熱電対から前記温度を示す信号を受信するべく前記熱電対と接続され、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく、前記冷却デバイスの動作を前記温度に応じて調整するアクチュエータとを更に有する請求項１に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項１３】
１以上のＬＥＤの動作に適用される熱制御システムであって、前記熱制御システムは、ＬＥＤ動作条件に応答して、前記１以上のＬＥＤにおける温度を制限する熱管理システムを備え、
前記熱管理システムは、
（ａ）対流冷却、熱伝冷却及び放射冷却のうちの少なくとも１つにより、前記１以上のＬＥＤを冷却する冷却デバイスと、
（ｂ）前記１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも一部、分岐させるバイパス回路とを有する、熱制御システム。
【請求項１４】
前記バイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ、及びアンチヒューズデバイスからなる群から選択されるバイパス制御要素を含む請求項１３に記載の熱制御システム。
【請求項１５】
ＬＥＤを含むメイン回路と接続可能なバイパス回路を有する熱保護アセンブリを備え、
前記バイパス回路は、前記ＬＥＤに電流が流れ、前記ＬＥＤが閾値温度未満の温度である場合に、前記バイパス回路に電流が流れない状態を維持するバイパス制御要素を有し、
前記閾値温度は、例えば、７５〜９５℃の範囲内であり、
前記バイパス制御要素は、前記メイン回路における前記ＬＥＤを流れる電流によって前記ＬＥＤが前記閾値温度以上の温度で動作する場合に、前記ＬＥＤを前記閾値温度未満に保つべく、前記メイン回路における電流を少なくとも部分的に、前記バイパス回路を通じて、前記ＬＥＤを迂回させて別経路に切り替えて前記メイン回路に戻すＬＥＤ熱管理システム。
【請求項１６】
前記バイパス制御要素は、ツェナーダイオード、バリスタ、及び熱電冷却器からなる群から選択されるバイパス制御要素を含む請求項１５に記載のＬＥＤ熱管理システム。
【請求項１７】
前記バイパス制御要素は、ツェナーダイオードを含む請求項１５に記載のＬＥＤ熱管理システム。
【請求項１８】
前記バイパス制御要素は、バリスタを含む請求項１５に記載のＬＥＤ熱管理システム。
【請求項１９】
前記バイパス制御要素は、熱電冷却器を含む請求項１５に記載のＬＥＤ熱管理システム。
【請求項２０】
閾値温度を上回る温度では熱に起因した劣化が生じ易いＬＥＤにおいて、前記ＬＥＤに供給されている電力により、前記ＬＥＤの温度が前記閾値温度を超える熱が発生する場合、前記ＬＥＤの寿命を延ばす方法であって、
前記方法は、
（Ｉ）前記ＬＥＤで発生する熱を低減し、動作時の前記ＬＥＤを前記閾値温度以下に維持するべく、前記ＬＥＤに供給される電力を少なくとも部分的に減衰させること、及び
（ＩＩ）動作時の前記ＬＥＤを前記閾値温度以下に維持するべく、前記ＬＥＤから熱を取り除くこと、のうちの少なくとも１つを備えるＬＥＤの寿命を延ばす方法。
【請求項２１】
前記ＬＥＤを前記閾値温度以下に維持するべく、バイパス回路を通じて、電流を少なくとも部分的に前記ＬＥＤを迂回させて別経路に切り替え、前記ＬＥＤを含むメイン回路に戻す段階を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記バイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ及びアンチヒューズデバイスからなる群から選択されるバイパス制御要素を含む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＬＥＤからの熱を取り除くヒートシンク構造を使用することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記ＬＥＤから、対流冷却によって熱を取り除くための伝熱面を含む熱制御部を使用することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記ＬＥＤから熱を取り除く熱電冷却器を使用することを含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記ＬＥＤの温度を監視する段階と
前記温度を示す信号を生成する段階と、
動作時の前記ＬＥＤを前記閾値温度以下に維持するべく、前記ＬＥＤを冷却する冷却器を、前記信号に応じて調整するアクチュエータに前記信号を送信する段階とを備える請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記冷却器は、熱電冷却器を含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
１以上のＬＥＤと、
応答しなかった場合に、前記１以上のＬＥＤに熱損傷を発生させてしまうような少なくとも１つのＬＥＤ動作条件に応答するよう構成された熱管理システムと
を備え、
前記少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が存在しない場合には、前記熱管理システムは非アクティブ状態とされ、前記少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が発生した場合には、前記熱損傷を低減する又は防ぐべく熱管理システムがアクティブ状態とされ、
前記熱管理システムは、
（ａ）対流冷却、熱伝冷却及び放射冷却のうちの少なくとも１つにより、前記１以上のＬＥＤを冷却する冷却デバイスと、
（ｂ）前記１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも一部、分岐させるバイパス回路とを有する、熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのＬＥＤ動作条件は、電流条件、電圧条件、電力条件及び／又は温度条件を含む請求項２８に記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【請求項３０】
前記少なくとも１つのＬＥＤ動作条件は、７５〜９５℃の範囲の閾値温度を上回る前記１以上のＬＥＤにおける温度である請求項２８記載の熱的制御されたＬＥＤアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤデバイス及びＬＥＤデバイスを含むアセンブリに関する。本発明の様々な側面は、アセンブリのＬＥＤ部品をオーバーヒートから保護する熱管理機能を有するＬＥＤアセンブリに関する。本発明のその他の側面は、熱による性能及び／又は使用寿命の低下を受けるＬＥＤにおける温度の過剰な上昇を少なくとも部分的に排除するための、ＬＥＤの熱管理方法に関する。
【０００２】
［優先権情報］
本出願は、２００８年１１月３０日出願の米国特許出願１２／３２５，２０８号明細書の優先権を主張するものであり、前記出願の開示内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
近年、ＬＥＤは光源として、様々な電化製品、照明装置、計器、及びディスプレイ関連装置に広く採用されている。
【０００４】
従来の白熱光源及び蛍光光源に比べて、ＬＥＤは長寿命であり、複数のＬＥＤからなるアレイの状態で電子制御が容易であることから、多種類の光出力、色温度、及び光強度を提供できる。
【０００５】
このような利点を有し、使用が広まっている一方、温度が上昇すると、ＬＥＤは、性能が低下し寿命が短くなってしまうという傾向がある。例えば、周辺温度（〜２５℃）で所定の光出力を有するＬＥＤは、温度が上昇する（例えば、８０℃以上）と、ＬＥＤ自身の大幅な性能低下が起き、また、関連して発生する蛍光物質により、ＬＥＤアセンブリの放射が減少し、光強度が大幅に減衰してしまう。温度劣化の幾つかの例は、量子井戸の欠陥と関連しており、ＬＥＤアセンブリが十分に機能しない又は目的の用途に使用できなくなってしまう場合がある。
【０００６】
温度が上昇するほど、熱によるＬＥＤ劣化が進む。特定の温度レベルを超えると、温度と、ＬＥＤ劣化の速度及び程度との間には強い相関関係が存在する。ＬＥＤの性能及び寿命が、熱の影響を大きく受けるようになる温度閾値は、ＬＥＤの特定の種類によって異なるが、典型的な閾値温度は、７５〜９５℃の範囲である。
【０００７】
このような閾値温度未満では、ＬＥＤの性能及び寿命は十分であると言えるが、閾値温度を超えると、ＬＥＤは、熱に起因する性能劣化の影響を大きく受けるようになり、故障するまでの期間が短くなる。このことから、ＬＥＤの故障は、ルーメン出力が、２５℃における同じ電流動作条件でのルーメン出力の７０％にまで減少した時であると規定することができる。
【０００８】
このように、ＬＥＤは、最大動作温度を有し、この最大動作温度を超えると、ＬＥＤの性能及び寿命が相対的に急速に低下する。非常に高いＬＥＤ動作温度は、様々な原因で発生し、様々な原因には、ＬＥＤ要素の取り付け不備、想定外の高い環境温度、ドライブ回路の設計不良、過渡電流によるスパイク、又はその他システム的な高電力のＬＥＤへの流入、及び意図的なＬＥＤのオーバードライブが含まれる。
【０００９】
非常に高温でＬＥＤを動作させることは、有害であり、ＬＥＤの化学的変化、樹脂の硬化、色あせ及び脆化によって現れる物理的な劣化、ＬＥＤからの入射放射に応じて発生する蛍光物質の急激な減少、及び量子井戸の欠陥に関係して生じる熱に起因する劣化につながる。
【００１０】
このような熱起因の劣化を改善又は取り除くことができるＬＥＤアセンブリ又は配置を提供できれば、当技術分野における飛躍的な進歩となると言える。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、熱による性能及び／又は使用寿命の低下を受けるＬＥＤの熱管理のための装置及び方法に関する。
【００１２】
一側面では、本発明は、ＬＥＤアセンブリに関し、ＬＥＤアセンブリは、１以上のＬＥＤと、ＬＥＤ動作条件に応答するように構成され、１以上のＬＥＤにおける温度を制限する熱制御部とを備える。
【００１３】
更なる側面では、本発明は、１以上のＬＥＤの動作のために採用される熱制御システムに関し、この熱制御システムは、ＬＥＤ動作条件に応答して、１以上のＬＥＤの温度を制限するように構成された熱制御部を含む。
【００１４】
本発明の別の実施形態は、ＬＥＤに対するＬＥＤ熱管理システムに関し、システムは、ＬＥＤを含むメイン回路と接続可能なバイパス回路を有する熱保護アセンブリと、ＬＥＤに電流が流れ、閾値温度未満の温度である場合に、バイパス回路に電流が流れない状態を維持するように構成されているバイパス制御要素を有するバイパス回路とを備え、閾値温度は、例えば、７５〜９５℃の範囲であり、ＬＥＤを迂回するバイパス回路を通じてメイン回路における電流を少なくとも部分的に別経路に切り替えてメイン回路に戻すことにより、ＬＥＤを閾値温度未満に保ち、メイン回路におけるＬＥＤを流れる電流によってＬＥＤが長期間、閾値温度を以上で動作してしまうのを防ぐ。
【００１５】
また別の側面では、本発明は、閾値を上回る温度において熱に起因した劣化が生じ易いＬＥＤであって、ＬＥＤに供給されている電力により、ＬＥＤが閾値を温度を超えてしまう熱を発生する場合において、ＬＥＤの寿命を延ばす方法を提供する。方法は、（Ｉ）ＬＥＤで発生する熱を低減し、動作時のＬＥＤを閾値温度以下に維持するべく、ＬＥＤに供給される電力を少なくとも部分的に減衰させること、及び（ＩＩ）動作時のＬＥＤを閾値温度以下に維持するべく、ＬＥＤから熱を取り除くこと、のうちの少なくとも１つを備える。
【００１６】
更なる実施形態では、本発明は、１以上のＬＥＤと、応答しなかった場合に、１以上のＬＥＤに熱損傷を発生させてしまうような少なくとも１つのＬＥＤ動作条件に応答するよう構成された熱管理システムとを備え、少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が存在しない場合には、熱管理システムは非アクティブ状態とされ、少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が発生した場合には、熱損傷を低減する又は防ぐべく熱管理システムがアクティブ状態とされる熱的制御されるＬＥＤアセンブリに関する。
【００１７】
本発明のその他の側面、特徴及び実施形態は、以下に記載する開示及び添付の特許請求の範囲から完全に明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】熱による性能及び／又は使用寿命の低下を受けるＬＥＤの熱管理のための本発明の一実施形態に係る熱管理回路を示した図である。
【図２】熱管理要素を有さないＬＥＤの場合の、温度の関数として表された電圧のグラフである。
【図３】図１に示した種類の回路の場合の温度の関数として表された電圧のグラフであり、所定の温度限界未満の所定の動作範囲内で温度が制御されている様子が示されている。
【図４】本発明の別の実施形態に係る、熱管理回路を含むＬＥＤアセンブリを示した図である。
【図５】本発明の更なる別の実施形態に係る、熱管理配置を含むＬＥＤアセンブリを示した図である。
【図６】使用時において、所定の限界値未満にＬＥＤ温度を維持するための熱電冷却器及び制御要素使用して動作可能とした配置のＬＥＤデバイスを概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、熱による性能及び／又は使用寿命の低下を受けるＬＥＤの熱管理に関し、より詳細には、このようなＬＥＤの熱による性能及び／又は使用寿命の劣化を少なくとも一部減衰させることによりＬＥＤの熱的管理を行う装置及び方法に関する。
【００２０】
本発明の一側面では、使用時に発熱の影響を受け易く、熱起因の性能劣化及び／又は寿命の短縮が起こるＬＥＤを少なくとも１つ含むＬＥＤアセンブリについて考え、このような１以上のＬＥＤにおける発熱を、所定の限界値を超えないように制御可能である熱制御装置について考える。
【００２１】
発熱の所定の限界は、所定のＬＥＤ温度限界、許容熱流速限界、放射熱エネルギー限界、又はＬＥＤデバイスにおける発熱のその他の限界測定値を含むことができる。所定の限界は、例えば、定常状態の動作におけるＬＥＤの抵抗値のような関連するパラメータと関係付けられていてもよい。温度が上昇すると、ＬＥＤの定常状態の抵抗値が上昇する。
【００２２】
ＬＥＤを使用した熱管理システムは、あらゆる好適な種類のものであってよい。一実施形態において、熱管理システムは、ＬＥＤから熱を取り除くことができる制御部を含んでもよい。また、熱管理システムは、導電、放射、対流又はその他の熱伝導メカニズムによりＬＥＤから熱を取り除くヒートシンク構造を含んでもよく、それにより、ＬＥＤに蓄積される熱を低減することができ、発熱を、例えば、所定の温度限界未満といった、所定のレベル未満に維持することができる。このような実施形態におけるヒートシンク構造は、金属、セラミック、複合材料、又はヒートシンク媒体として好適な高い比熱を持つ物質により形成されていてもよい。
【００２３】
別の実施形態における熱制御装置は、ＬＥＤを対流冷却するために配置される伝熱面を含む。伝熱面は、例えば、羽根又はその他の延長面構造を含んでもよく、例えば、扇風機、送風機、エダクタのような対流冷却装置に対して配置されている。又は、熱が、延長伝熱面から、ＬＥＤを収容する環境における空気のような周囲ガスに熱が伝達されるよう、その他の配置で配置されていてもよい。
【００２４】
他の実施形態では、ＬＥＤは、熱電気的にＬＥＤデバイスから熱を取り除くのに適用される熱電気冷却器を含む熱制御部と共に配置されてもよい。
【００２５】
本発明の更なる実施形態では、ＬＥＤにおける発熱が所定の限界を超えてしまうような条件が発生すると、ＬＥＤから電流の流れを減少させるバイパス回路を含む熱制御部の利用に関し、これにより、ＬＥＤへの電流が、所定の限界を超える発熱を起こすレベルに達しないようにすることができる。以下に詳細に記載するバイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ、又はアンチヒューズデバイスのようなバイパス制御要素を含んでもよい。ＬＥＤの温度が上昇すると、定常状態のＬＥＤの抵抗値も上昇するという事実を利用して、例えば、定常状態のＬＥＤの抵抗値のような回路パラメータと所定の限界値とを関連付けてもよい。
【００２６】
ＬＥＤにおける発熱が所定の限界を超えてしまうような電力条件、例えば、過負荷出力条件、過渡的サージ等の条件が発生すると、ＬＥＤへの電力供給を制限するような熱制御を採用可能なようにＬＥＤアセンブリを配置してもよい。
【００２７】
ＬＥＤオペレーションを熱的に管理するのに使用される熱管理システムは、様々な種類のものであってもよく、応答しなかった場合に１以上のＬＥＤに熱的損傷を与えてしまうような少なくとも１つのＬＥＤ動作条件に対応して構成される。熱管理システムは、１以上のＬＥＤの動作条件に応答するべく構成することができ、この動作条件が存在しない時には熱管理システムは非アクティブとされ、１以上の動作条件が発生した時には、熱管理システムはアクティブ化されて、ＬＥＤに対する熱損傷を低減する又は防ぐ。
【００２８】
本発明の一実施形態では、ＬＥＤの温度を監視し、ＬＥＤの温度を示す信号を生成するよう構成された熱電対を含む熱制御を利用する。熱電対から信号を受信するように接続されたアクチュエータは、温度を示す信号を受信するよう動作し、それに応じて、例えば、熱電冷却器である冷却デバイスの動作を調節し、ＬＥＤにおける発熱が所定の限界を超えないようにする。
【００２９】
一実施形態における発明は、使用時に発熱の影響を受け易く、熱起因の性能劣化及び／又は寿命の短縮が起こる１以上のＬＥＤに対して動作する熱制御システムに関し、熱制御システムは、ＬＥＤにおける過度な発熱を防ぎ、所定の限界値を超えないようにすることが可能な熱制御部を含む。このような構成の熱制御部は、ＬＥＤにおける発熱が所定の限界を超えてしまうような条件が発生すると、ＬＥＤから電流の流れを分岐して減少させ、ＬＥＤへの電流が、所定の限界を超える発熱を起こすレベルに達しないようにすることができるバイパス回路を含む。上記のバイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ、又はアンチヒューズデバイス又はこれらのデバイス１以上の組み合わせ、又はその他のバイパス制御要素とこのようなデバイスとの組み合わせといった、バイパス制御要素を含んでもよい。
【００３０】
本発明の更なる側面は、所定の温度を超える温度では熱起因の劣化を受け易いＬＥＤに対するＬＥＤ熱管理システムに関する。熱起因の劣化に影響する条件下において、少なくとも一部ＬＥＤの電力を減衰させることができる熱保護アセンブリをシステムは含み、それにより、ＬＥＤにおける発熱を低減でき、動作しているＬＥＤを所定の温度以下に維持することができる。このような熱保護アセンブリは、上述したような種類のバイパス回路を含むことができ、このようなバイパス回路を、ＬＥＤを含むメイン回路と接続させる。バイパス回路は、ＬＥＤに電圧が印加され所定の温度未満の温度である時には、電流が流れない状態にバイパス回路が維持され、ＬＥＤに電圧が印加され、発熱し、所定の温度を超える温度になるような時には、バイパス回路を介してＬＥＤからの電流を少なくとも一部別の経路に振り分け、メイン回路に戻す。電流の振り分けは、メイン回路におけるＬＥＤを流れる電流により、ＬＥＤが所定温度を超える温度で動作することになってしまう場合に、ＬＥＤを所定の温度以下に維持するべく電流伝送経路の切り替えを行う。
【００３１】
別の実施形態では、熱的に制御されるＬＥＤアセンブリは、１以上のＬＥＤと、応答しなかった場合に１以上のＬＥＤに熱損傷を発生させてしまうような少なくとも１つのＬＥＤ動作条件に応答するよう構成された熱管理システムとを備え、このような少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が存在しない場合には、熱管理システムは非アクティブ状態とされ、少なくとも１つのＬＥＤ動作条件が発生した場合には、熱管理システムがアクティブ状態となり、このような熱損傷を低減又は防ぐ。
【００３２】
このように熱的に制御されるＬＥＤアセンブリでは、少なくとも１つの動作条件として、電流、電圧、電力、抵抗、及び／又は温度の条件が含まれていてもよく、例えば、１以上のＬＥＤの温度が、７５℃から９５℃の範囲における閾値温度を超えた場合のような条件が含まれてもよい。例えば、温度条件の設定点を８０℃としてもよく、このような設定点温度に達した時に、能動冷却装置を起動するように配置されたアクチュエータデバイスにプログラムしてもよい。能動冷却装置は、アクチュエータによってスイッチが入れられるとアクティブになり、それ以外の場合には、非アクティブ状態となっている。このような発明の実施において有用である能動冷却装置として、扇風機、送風機、熱電気冷却装置等のあらゆる種類の装置であってもよい。
【００３３】
このような実施形態における熱管理システムは、少なくとも１つのＬＥＤ動作条件に応答して、１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも一部、別に振り分けるように構成されるバイバス回路を有してもよい。
【００３４】
熱管理動作をトリガするのに使用される少なくとも１つのＬＥＤ動作条件は、上述したような設定点動作条件を含むことができ、また、動作条件は、熱管理動動作によって対処されなければ、過剰な熱が蓄積されてしまう、又は影響を受けるＬＥＤの寿命及び性能が熱により劣化してしまう。
【００３５】
上述したような構成によれば、本発明は、次に示す方法のうちの少なくとも１つにより、所定の温度を超える温度では熱起因の劣化を受け易くなるＬＥＤの寿命を延ばすことができる効果的な方法を提供する。（Ｉ）ＬＥＤでの発熱を低減するようにＬＥＤに供給する電力少なくとも部分的に弱め、動作時の温度を所定の温度以下に保つ。（ＩＩ）ＬＥＤから熱を取り除き、ＬＥＤの動作時の温度を所定の温度以下に保つ。
【００３６】
本発明は、ＬＥＤデバイスの熱的管理及び制御のための様々な配置及び技術を考慮していることは、明らかである。以下、本発明が、単独のＬＥＤ要素を複数含む回路を参照して説明されるが、本発明の熱管理システム及び方法は、マルチＬＥＤディスプレイ、インテリア照明構成、外部照明アセンブリ、パーソナル照明製品等の様々なＬＥＤデバイスを含む配置に実装することができることは明らかである。また、本発明の実装に使用されるＬＥＤは、ＬＥＤからの光をアップコンバート及び／又はダウンコンバートするための１つの又は複数の蛍光体要素と共に、アセンブリに配置されていてもよい。本発明の技術及び方法は、同じ熱管理構造又はデバイスを使用して、複数のＬＥＤの熱管理を提供してもよい。
【００３７】
例えば、ツェナーダイオードバイパス制御要素を含むバイパス回路のようなバイパス回路を、直列又は並列に配置された複数のＬＥＤに渡って使用することができ、１つのバイパス要素を含む１つのバイパス回路が、複数のＬＥＤデバイスの多様性を提供できる。別の例として、熱電冷却器は、複数のＬＥＤデバイスと関連付けることができる。別の実施形態では、１つの専用熱管理部品、又は１つのＬＥＤデバイスのための部品配置を採用することにより、ＬＥＤそれぞれが保護されるように、ＬＥＤアセンブリを構成することができる。
【００３８】
本明細書で使用されている、単数形で称されている対象物は、特に明示しない限り、複数の場合も含むものとして使用している。
【００３９】
一実施形態における発明は、１つ又は複数のＬＥＤと並行してデバイスを使用して、"過負荷"状態のＬＥＤを流れる電流を低減する。本発明はまた、ＬＥＤが発生する熱を低減するために、又は、熱電気冷却器のようなデバイスを使用してＬＥＤからの熱除去を実行するために、能動的制御及びフィードバックを使用することを考える。熱電気冷却器は、ペルチェ効果を利用して、２つの異なる種類の材料の接合点にわたる熱流速を生成する。このようなデバイスは、当業者には周知である。
【００４０】
図１には、熱による性能及び／又は使用寿命の低下を受けるＬＥＤの熱管理のための本発明の一実施形態に係る熱管理回路を含むＬＥＤアセンブリが示されている。サージ保護のためのツェナーダイオードを使用する場合とは異なり、本実施形態におけるツェナー電圧は、小電流、室温（例えば、２５℃）で動作するＬＥＤの電圧の５０％以内で選択される。様々な実施形態において、ＬＥＤオペレーションの熱管理を有効とするために、選択されるツェナー電圧は、動作電圧の２５％、１０％又は５％以内である。
【００４１】
図に示すように、アセンブリ１０は、電源１６と回路関係を形成するように接続されているＬＥＤ１２を含む。ＬＥＤアセンブリ１０は、分岐線２２におけるツェナーダイオード１４を使用して構成され、ツェナーダイオードの電圧は、ＬＥＤ１２への電力によってＬＥＤがオーバーヒートし、照明出力及び／又は寿命を劣化させてしまうような状況下において、ツェナーダイオードが電流シャントとして機能するような電圧に選択される。保護の目的から、電圧は、過度な温度となるのを防ぎ、また回路に電力が供給された時にＬＥＤがオンとなるのを妨げない程度に低い電圧に設定されるべきであることは、明らかである。
【００４２】
図２は、関連付けられた熱管理が存在しないＬＥＤの場合の、温度の関数として表された電圧のグラフである。
【００４３】
図２のグラフには、ＬＥＤの電圧性能が表されており、グラフの点Ａは、光を放出させるために、電源を起動して、発光ダイオードに電流が流された点を表している。発光ダイオードが温まる（点Ｂ）にしたがって、電圧が低下し、温度が上昇する（点Ｃ）。ダイオードが非常に大きな電流によって駆動される、又は電力サージを経験すると、温度及び電圧が上昇（点Ｄ）し、ＬＥＤはそれに応答して、過剰な発熱による悪影響を受ける。
【００４４】
図３は、図１に示した種類のＬＥＤ回路の場合の温度の関数として表された電圧のグラフであり、所定の温度限界未満の所定の動作範囲内で温度が制御されている様子が示されている。
【００４５】
図３における電圧‐温度曲線は、図１の回路の、ＬＥＤ１２と並列にツェナーダイオードを含むバイパス線２２を有する場合の性能を示している。
【００４６】
電源を入れた時の電圧が、点Ａで示されており、電圧の曲線は図２に示したものと同じような変化をし、動作時にダイオードが温まって電圧が下がると（点Ｂ）、電圧及び温度が上昇し、ツェナーダイオード１４が起動されて、電圧及び温度が抑制される（点Ｃ）。したがって、ツェナーダイオードは、電流シャントの役割を果たし、ＬＥＤ１２の熱的管理を提供するので、点Ｃを越える温度上昇が発生することがない。点Ｃの温度は、その温度以下であれば熱起因の劣化を最小限にすることができる又は許容範囲に抑えることができる所定の温度である。しかしながら、点Ｃの電圧は、ＬＥＤを点灯させるには、電圧Ａを超える電圧でなければならない。
【００４７】
図４は、本発明の別の実施形態に係る、熱管理回路を含むＬＥＤアセンブリが示されている。
【００４８】
図４における熱管理回路は、別の構成を示しており、熱制御デバイスがＬＥＤと並列に配置されている。この回路４０において、ＬＥＤ４２は、電源４６を含むメイン回路４４に配置されている。ＬＥＤ４２は、抵抗５０及びスイッチ５２を含むバイパス線４８と並列に配置されている。このスイッチは、あらゆる好適な種類のものであってよく、例えば、温度がある値を下回る場合に開く金属（２層）スイッチであってもよい。温度がある値を上回る場合には、スイッチが閉じ、バイパス４８を通じて電流がバイパスするように構成されており、これによりＬＥＤ４２を通過する電流を低減することができる。これに替えて、スイッチは、特定の温度に依存して電流を流したり止めたりする熱反応性の半導体層によって形成することもでき、ＬＥＤの温度が上昇すると、バイパス回路を流れる電流をバイパスし、その他の時には、スイッチが開放状態となり、全電流がＬＥＤデバイスを流れるように構成することができる。スイッチは、例えば、ドーパントレベルが深いワイドバンドギャップ半導体で形成してもよく、このスイッチとＬＥＤとが、マウンティングプレートに取り付けられていてもよい。室温で、キャリアが僅かでも活性化状態とされれば、半導体スイッチが開く。マウンティングプレートが高温になると、キャリアは、熱的にアクティブ状態とされ、マウンティングプレートの温度が下がるまで、電流が別の経路に沿って分岐されてもよい。適切な値を選択すれば、半導体スイッチは、スイッチ及び抵抗４８の両方として機能させることができる。
【００４９】
図５には、別のＬＥＤアセンブリ構成が示されており、本発明の別の実施形態に係る熱管理システムが含まれる。
【００５０】
ＬＥＤアセンブリ６０では、メイン回路６４は、電源６６と接続されたＬＥＤ６２を含む。熱制御部７０は、バイパス線６８上に配置される。熱制御部は、あらゆる好適な種類の制御装置であってもよく、例えば、ＬＥＤにおける望ましくない発熱を引き起こすような条件、例えば、所定レベルを超えるＬＥＤ温度に反応して、ＬＥＤを流れる電流を低減する又はバイバス線６８及び熱制御部に電流を分岐する材料、構成要素、及び／又はサブアセンブリを含むことができる。熱制御部は、電流の全て又は一部をバイパス線６８を通過させるように構成及び配置することができ、このようにすることで、ＬＥＤはオーバーヒートすることなく、許容範囲を超える劣化速度となる及び／又は劣化が進むような閾値温度を下回るようにＬＥＤが維持される。
【００５１】
熱制御部７０は、あらゆる好適な構造を採用してもよく、例えば、モジュールボードに埋め込まれた温度制御装置を有してもよく、温度制御装置は、電流を制御及び／又はヒートシンク機能を提供する、又は、ＬＥＤの熱を制御して、ＬＥＤの温度が所望の所定レベルを超えないようにする。
【００５２】
別の実施形態では、熱制御構造の一部又は全てが、ＬＥＤアセンブリの一部として、照明装置又はモジュールに埋め込まれていてもよい。更なる別の実施形態では、熱制御部は、直列に及び／又は並列に配列された複数のＬＥＤにまたがって配置されていてもよい。熱制御部は、ＬＥＤの電流を制御するべくあらゆる態様で配置することができ、所望の動作電流条件の範囲内にＬＥＤを維持するべく、電流を様々な電力条件化で調整することができる。
【００５３】
図６には、所定の限界値未満にＬＥＤ動作温度を維持するための熱電冷却器及び制御要素を使用して動作可能とした配置のＬＥＤデバイスが、概略的に示されている。
【００５４】
図６に示されるＬＥＤアセンブリ８０は、リード線９０及び９２によって電源８８と接続されているＬＥＤ８２を含む。図示されているように、ＬＥＤは、熱電冷却器８４の上に配置されており、冷却器の下面からは冷却フィン８６が下垂している。
【００５５】
ＬＥＤアセンブリは更に、ＬＥＤの温度を検出するように配置された熱電対リード線９６を含み、検出された温度に応じた信号を生成し、フィードバックアクチュエータ９４に送信する。フィードバックアクチュエータ９４は、電源線１０２によって電源１００と接続されており、アクチュエータが、電源供給線９８を通じて熱電冷却器８４へと送られる電力を、熱電対リード線９６を介してアクチュエータへと送信される温度信号に応じて調整するように配置されている。
【００５６】
このようにして、熱電冷却器に送られた電力を調整することにより、アクチュエータに信号伝送関係で結合する熱電対により検出される温度に応じて、冷却器の熱除去デューティを変更することができる。
【００５７】
ＬＥＤ８２は従って、良好な照明性能及び寿命を実現することができる温度の動作範囲で維持され、ＬＥＤにおける発熱が過剰となってしまうような条件は避けられる。
【００５８】
所定レベルに電力を維持する可変抵抗制御要素を利用して、電力監視及び制御を行う構成を採用してもよく、供給される電流が変動の大きいものである場合でも、ＬＥＤをオーバーヒートさせることなくＬＥＤに電流を流すことができる。このような電力監視及び制御構成は、電流が変動する条件下において所望の冷却動作体制にＬＥＤを維持するのに有用であり、熱制御アセンブリに可変抵抗制御要素を採用しなければ、電流変化を補償できず、電力レベルにおける制御されない変動が発生してしまうと考えられ、それを防いでいる。
【００５９】
本発明は、１以上のＬＥＤと、ＬＥＤ動作条件に応答するように構成され、１以上のＬＥＤにおける温度を制限する熱制御部とを備える熱制御ＬＥＤアセンブリを考える。
【００６０】
このような目的に対するＬＥＤ動作条件として、あらゆる好適な特性であってもよく、例えば、１以上のＬＥＤへと流れる電流、１以上のＬＥＤに印加される電圧、１以上のＬＥＤに供給される電力、１以上のＬＥＤにおける温度、及びＬＥＤアセンブリの周辺環境温度から選択することができる。デューティサイクルが調整されるのに伴い、これらのパラメータの値を調整してもよく、又は一時的に調整してもよい。ＬＥＤは、過度に熱くなってしまうのを防ぐために、例えば、必要に応じて点灯及び消灯してもよい。
【００６１】
このようなアセンブリにおけるＬＥＤは、ＬＥＤ動作条件に応じて１以上のＬＥＤに流れる電流を利用してもよく、また、熱制御部は、１以上のＬＥＤへの電流を制限するように構成されていてもよく、それにより１以上のＬＥＤにおける温度を制限する。
【００６２】
別の実施形態では、ＬＥＤの動作条件を１以上のＬＥＤに印加される電圧とし、熱制御装置を、１以上のＬＥＤに印加される電圧を制御するように構成して、それにより１以上のＬＥＤにおける温度を制限する。
【００６３】
更なる別の実施形態では、ＬＥＤの動作条件を１以上のＬＥＤに供給される電力とし、熱制御装置を、１以上のＬＥＤに供給される電力を制御するように構成して、それにより１以上のＬＥＤにおける温度を制限する。
【００６４】
これに替えて、ＬＥＤ動作条件として、１以上のＬＥＤにおける温度を含むことができ、例えば、７５〜９５℃の範囲の閾値温度を超える温度を条件としてもよい。
【００６５】
熱的制御されたＬＥＤアセンブリは、ＬＥＤ動作条件として、１以上のＬＥＤにおける温度を含むように構成されてもよく、熱制御装置は、１以上のＬＥＤにおける温度を制限するべく、１以上のＬＥＤを冷却する冷却要素を作動させるように構成される。また、熱制御部は、ＬＥＤの動作条件に応じて１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも部分的に分岐させて他に振り分けるべく構成されたバイパス回路を含むことができ、バイパス回路は、ツェナーダイオード、バリスタ、及びアンチヒューズデバイスから選択されるバイパス制御要素を含んでもよい。熱的制御されたＬＥＤアセンブリは、能動的なもの又は受動的なものであってもよい。能動的なシステムは、例えば、ＬＥＤの熱による劣化と相関する特定の条件に関係する定値動作によって作動されてもよく、その条件が発生した時に、熱管理システムによって作動信号が伝播される。このような能動的熱管理システムは、対象物を継続的に又は断続的に監視するように構成されていてもよく、このように構成することにより、監視されている条件が修正されず、ＬＥＤの実際の好ましくない発熱を示した時又はＬＥＤの好ましくない発熱の可能性を示した時に、熱管理オペレーションを開始させることができる。
【００６６】
熱管理部は、多様に構築されてもよく、例えば、ヒートシンク構造、１以上のＬＥＤの対流冷却のための伝熱面、又は熱電冷却器を含む。熱的制御されるＬＥＤアセンブリの別の構成では、熱制御部は更に、１以上のＬＥＤの温度を監視し、監視した温度を示す信号を生成する熱電対と、熱電対から温度を示す信号を受信するべく熱電対と接続され、熱電冷却器の動作を温度に応じて調整するアクチュエータとを備え、これにより、１以上のＬＥＤにおける温度を制限する。
【００６７】
本発明の別の側面は、１以上のＬＥＤの動作のために採用される熱制御システムに関し、この熱制御システムは、ＬＥＤ動作条件に応答して、１以上のＬＥＤの温度を制限するように構成された熱制御部を含む。熱制御部は、例えば、ＬＥＤの動作条件に応じて、１以上のＬＥＤからエネルギーを少なくとも部分的に分岐させるように構成されたバイパス回路を含む。例えば、ツェナーダイオード、バリスタ、及びアンチヒューズデバイスから選択されるバイパス制御要素を使用して、バイパス回路を構成する。所与のＬＥＤアセンブリ内に、２種類以上のバイパス制御要素を採用してもよく、バイパス回路を、１つのＬＥＤ要素に適用してもよいし、アセンブリ内の２つ以上のＬＥＤにわたって適用してもよい。
【００６８】
本発明の別の側面は、ＬＥＤに対するＬＥＤ熱管理システムに関する。システムは、例えば、ＬＥＤを含むメイン回路と接続可能なバイパス回路を有する熱保護アセンブリと、ＬＥＤに電流が流れ、閾値温度未満の温度である場合に、バイパス回路に電流が流れない状態を維持するように構成されているバイパス制御要素を有するバイパス回路とを備え、閾値温度は、例えば、７５〜９５℃の範囲であり、ＬＥＤを迂回するバイパス回路を通じてメイン回路における電流を少なくとも部分的に別経路に切り替えてメイン回路に戻すことにより、ＬＥＤを閾値温度未満に保ち、メイン回路におけるＬＥＤを流れる電流によってＬＥＤが長期間、閾値温度を以上で動作してしまうのを防ぐ。ＬＥＤがオーバーヒートした場合にバイパス回路がイネーブルされて、ＬＥＤの熱が低減されるため、能動的熱管理に遅延が生じるが、別の実装形態として、オーバーヒート状態に近づいた時点で能動的熱管理が開始されるようにバイパス回路を構成してもよい。
【００６９】
上述のＬＥＤ熱管理システムにおけるバイパス制御要素は、例えば、ツェナーダイオード、バリスタ、及び熱電冷却器からなる群から選択される要素のような、あらゆる好適な種類のものであってもよい。
【００７０】
また、本発明は、閾値を上回る温度において熱に起因した劣化が生じ易いＬＥＤであって、ＬＥＤに供給されている電力により、ＬＥＤが閾値を温度を超えてしまう熱を発生する場合において、ＬＥＤの寿命を延ばす方法を提供する。方法は、（Ｉ）ＬＥＤで発生する熱を低減し、動作時のＬＥＤを閾値温度以下に維持するべく、ＬＥＤに供給される電力を少なくとも部分的に減衰させること、及び（ＩＩ）動作時のＬＥＤを閾値温度以下に維持するべく、ＬＥＤから熱を取り除くこと、のうちの少なくとも１つを備える。（Ｉ）又は（ＩＩ）、若しくは（Ｉ）及び（ＩＩ）の両方を備えることができる。
【００７１】
このような方法は、ＬＥＤを閾値温度以下に維持するべく、バイパス回路を通じて、電流を少なくとも部分的にＬＥＤを迂回させて別経路に切り替えて、ＬＥＤを含むメイン回路に戻す段階を含むことができる。バイパス回路は、例えば、ツェナーダイオード、バリスタ及び／又はアンチヒューズデバイスのようなバイパス制御要素を含んでもよい。方法はまた、ＬＥＤから熱を取り除くよう構成されたヒートシンク構造の使用、ＬＥＤから熱を対流冷却によって取り除くための伝熱面を含む熱制御部の使用、又はＬＥＤから熱を取り除くよう構成された熱電冷却器の使用を含んでもよい。
【００７２】
方法の更なる別の態様では、ＬＥＤの温度を監視する段階、このような温度を示す信号を生成する段階、例えば、熱電冷却器のようなＬＥＤを冷却するよう構成された冷却器を信号に応じて調整するアクチュエータに信号を送信する段階を備え、動作時のＬＥＤを閾値温度以下に維持する。
【００７３】
発明が、発明の特徴、側面及び実施形態に即して記載されたが、このような特徴、側面及び実施形態の一部又は全てによって本発明を実装してもよく、また、本発明の更なる様々な実装形態における要素及び構成要素を使用して実装してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の熱管理システム及び方法によれば、熱に起因して性能及び／又は使用寿命の劣化を受け易いＬＥＤの熱的管理を可能とし、このような熱起因の劣化を少なくとも一部緩和する。所定の限界値を超えないように熱の発生を制御することにより、性能を格段に向上したＬＥＤを、本発明の実装形態において実現することができる。そして、このような熱的管理されたＬＥＤを構成要素として含むデバイスにおいても、例えば、実質的に寿命を延ばすことができる等の、同様な改善を実現できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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