JP2013506261A - Ｌｅｄ照明ユニットの温度制御にヒートパイプを使用する装置関連出願との相互参照 - Google Patents

Abstract

発光ダイオード（ＬＥＤ）照明ユニットが開示される。たとえば、ＬＥＤ照明ユニットは、１つまたはそれ以上の内側開口部を有する少なくとも１つの支持板を備える。少なくとも１つのＬＥＤアレイをＬＥＤ基盤に連結してもよい。ＬＥＤ照明ユニットはまた、ＬＥＤ基盤に連結された少なくとも１つのヒートパイプを備え、前記ＬＥＤ基盤は、少なくとも１つの支持板に連結される。

Description

本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項に基づいて２００６年６月３０日に出願された米国仮特許出願第６０／８１７，８８０号の優先権を主張する、２００７年６月２８日に出願され、最近許可された米国特許出願第１１／７７０，５３８号の一部継続出願であり、同出願を引用によって本願に援用する。

本発明は一般に、ＬＥＤ照明ユニットからの放熱に関し、より詳しくは、ＬＥＤ照明ユニットの温度を制御するためのヒートパイプと熱電クーラに関する。

過去において、発光ダイオード（ＬＥＤ）の出力レベルは１ワット未満が限度であった。現在では、５ワットを超えるＬＥＤパッケージが利用できる。また、今や１００ルーメン／ワットという効率のＬＥＤも利用可能である。こうした近年の進歩により、ＬＥＤの新たな用途が数多く生まれている。その一例は、標識灯のような警告機器へのＬＥＤの利用である。標識灯からの発光は一般に、垂直ビームの広がりが限定された、全方向３６０°にわたる放射状光である。より詳しくは、ＬＥＤはストロボ式の標識灯に使用することができ、この用途にはこれまで、キセノンストロボチューブが使用されていた。ＬＥＤ（発光ダイオード）を使用して、キセノンフラッシュチューブを用いたユニットと同様のフラッシュを発する警告機器を製作することについて、議論がなされてきた。多くの場合、このような機器は無線鉄塔、風力発電機、製油所のフレアスタックおよびその他の最上部に設置される。このような場所に設置されることから、日常的な保守作業（フラッシュチューブの交換等）が非常に困難である。キセノンチューブの代わりに、より寿命の長いＬＥＤを使用できれば、大きな利益が得られる。

キセノンフラッシュチューブと同様の上記のような機器またはその他の従来の照明方式で光を発生させるには、しばしば、多数のＬＥＤが必要となる。たとえば、連邦航空局は、日中に無線鉄塔の最上部の白色点滅機器を動作させることを義務付けている。中光度の用途で、このような機器が発する光の実効光度は、少なくとも２０，０００カンデラでなければならない。ＬＥＤを使ってこの光出力を生成するには、５ワットのＬＥＤが約４００個必要かもしれない。光は点滅するため、ＬＥＤが動作する際のデューティサイクルは１００％未満であろう。

このように数多くのＬＥＤを光信号に必要な小さな空間内に実装することにより、熱が集中して高温となる。ＬＥＤダイの内部の発熱は寿命を短縮し、極端な場合は、ＬＥＤ機器の故障の原因となりうる。できるだけＬＥＤの性能を高め、その寿命を延ばすためには、ＬＥＤダイ内部の温度を低く保つべきである。ＬＥＤダイの最大温度範囲は、約１２５℃から１５０℃の範囲である。

１つの実施形態において、本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）照明ユニットを提供する。ＬＥＤ照明ユニットは、１つまたはそれ以上の内側開口部を有する少なくとも１つの支持板と、ＬＥＤ基盤に連結された少なくとも１つのＬＥＤアレイと、前記ＬＥＤ基盤に連結された少なくとも１つのヒートパイプと、を備え、前記ＬＥＤ基盤は前記少なくとも１つの支持板に連結される。

他の実施形態において、本発明は、複数の支持板を備えるＬＥＤ照明ユニットを提供し、前記複数の支持板の各々は、１つまたはそれ以上の内部開口部を有し、前記複数の支持板の各々は、縦方向に積層され、中央コラムに連結される。ＬＥＤ照明ユニットはまた、ＬＥＤ基盤に連結された少なくとも１つのＬＥＤアレイと、前記ＬＥＤ基盤に連結された集熱器と、前記集熱器に連結された少なくとも１つのヒートパイプを備える。少なくとも１つのヒートパイプを前記集熱器に連結して、前記少なくとも１つのヒートパイプが前記少なくとも１つのＬＥＤアレイの真下に、これに平行に配置されるようにしてもよく、前記少なくとも１つのヒートパイプは、前記複数の支持板の１つに連結される。

他の実施形態において、本発明は、ＬＥＤ基盤に連結された少なくとも１つのＬＥＤアレイと、少なくとも１つの集熱器と、少なくとも１つのＬＥＤ基盤であって、前記少なくとも１つの集熱器に連結されたＬＥＤ基盤と、前記集熱器に連結された少なくとも１のヒートパイプと、を備えるＬＥＤ照明ユニットを提供する。

本発明の教示は、以下の説明を添付の図面を参照しながら読むことにより、容易に理解できる。

本発明の例示的実施形態のハイレベルブロック図である。 本発明の他の例示的実施形態のハイレベルブロック図である。 例示的な支持板とヒートパイプを示す図である。 例示的なヒートパイプとこれに関連する構造のより詳細な図である。 本発明の例示的実施形態の分解図である。 本発明の例示的な中央コラムを示す図である。 例示的なヒートシンクの上面図である。 本発明の例示的な完成状態の側面図である。 本発明の例示的な完成状態の等角図である。 ＬＥＤ照明ユニットの別の実施形態を示す図である。 ＬＥＤ照明ユニットの別の実施形態を示す図である。

理解しやすさを期し、可能な限り、全図面に共通の同じ要素を指す場合は同じ参照番号を使用した。

図１は、本発明の例示的実施形態による発光ダイオード（ＬＥＤ）照明ユニット１００のハイレベルブロック図である。ＬＥＤ照明ユニット１００は、たとえば、無線鉄塔、風力発電機、製油所のフレアスタックおよびその他に設置される。ＬＥＤ照明ユニット１００は、たとえばストロボユニット内で点滅するＬＥＤ、または、たとえば常に点灯の位置にあるような、連続的に発光するＬＥＤを使用してもよい。ＬＥＤ照明ユニット１００は、少なくとも１つの支持板１０２₁から１０２_nを有していてもよい。以下、支持板１０２₁から１０２_nを、個々に、またはまとめて支持板１０２と呼ぶ場合がある。支持板１０２はどのような形状でもよく、たとえば円形、または多角形、たとえば４角形、６角形、８角形等であってよい。例示的実施形態において、支持板１０２は本発明を説明する目的で円形であってもよい。さらに、支持板１０２はどのような熱伝導性材料で構成してもよく、たとえば、銅、アルミニウム等がある。

支持板１０２は、支持板１０２に連結された少なくとも１つのＬＥＤアレイ（図示せず）を有していてもよい。例示的実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１００は、３つの支持板１０２を有する。当業者であれば、ＬＥＤ照明ユニット１００が何枚の支持板１０２にも限定されないことがわかるであろう。ＬＥＤ照明ユニット１００は、モジュール式であってもよい。すなわち、ＬＥＤ照明ユニット１００の支持板１０２は、使用するＬＥＤの効率の増減によるＬＥＤの必要数の変化または用途ごとに必要な光度に応じて、追加したり減らしたりすることができる。

各支持板１０２は、１つまたはそれ以上の内側開口部１０６を有していてもよい。１つの実施形態において、その１つまたはそれ以上の内側開口部１０６は、支持板１０２がたとえば円形である場合、同心円状の開口部である。他の実施形態では、その１つまたはそれ以上の内側開口部１０６は、支持板の周囲の複数の地点の開口部３１０であってもよく、これを図３に示し、後述する。この１つまたはそれ以上の内側開口部１０６により、ヒートパイプ１０４は、各支持板１０２を通って垂直に上方に延びることができる。ヒートパイプ１０４の具体的な配列については後述する。各支持板１０２は、少なくとも１つのヒートパイプ１０４を有してしてもよい。しかしながら、当業者であれば、各支持板１０２が、ＬＥＤアレイから十分に放熱させるのに適当な何本のヒートパイプ１０４を有していてもよいことがわかるであろう。

本発明の他の実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１００は、支持板１０２を有していなくてもよい。たとえば、ヒートパイプ１０４そのものが、支持板１０２の全部または一部として機能してもよい。ヒートパイプ１０４は、すべてのヒートパイプ１０４を所定の位置に保持する天板まで垂直に延びていてもよい。

各支持板１０２は、図１に示されるように、垂直方向に相互に重ねてもよい。各支持板１０２は、中央コラム１０８に連結してもよい。カラー（図示せず）を中央コラム１０８に連結して、各支持板１０２を水平にしてもよい。当業者であれば、中央コラム１０８が単独の一体化されたセグメントであっても、より小さい複数のセグメントを合体させて中央コラム１０８を形成してもよい。これに加えて、中央コラム１０８は熱伝導性材料、たとえば銅、アルミニウム等で構成してもよい。

上述のように、ＬＥＤ照明ユニット１００に必要な光出力の量から、ＬＥＤ照明ユニット１００は大量の熱を発生する。さらに、実効光度２０，０００カンデラまたはそれ以上の光を出力するために必要となる多数のＬＥＤを小さな空間に実装することにより、熱が集中して高温となる。本発明の設計によれば、このように多くのＬＥＤを小さな空間に実装しながら、それと同時にＬＥＤから熱を放散させることができる。その結果、ＬＥＤの寿命が大幅に伸び、保守作業が非常に軽減されることになろう。

ヒートパイプ１０４により、ＬＥＤから熱エネルギーをより効率的に伝達する方法が提供される。ＬＥＤから熱が発生すると、これは支持板１０２に伝わる。ヒートパイプ１０４は、この熱を支持板１０２の中央に向かって、および外気またはヒートシンクに向かって上方に伝え、これについて以下に説明する。たとえば、支持板１０２の各レベルにおいて、それぞれの支持板１０２のヒートパイプ１０４が中央のヒートパイプ（図示せず）に連結されていてもよく、中央のヒートパイプはＬＥＤ照明ユニット１００の中央で垂直に上方に延びる。しかしながら、他の実施形態では、ヒートパイプ１０４とヒートシンクまたは外気の間の熱伝導界面の数が増える。熱伝導界面は一般に、熱抵抗を増大させる。

ヒートパイプ１０４は熱伝導性材料、たとえば銅、アルミニウム等で構成してもよい。ヒートパイプ１０４は中空であり、内部空間が提供される。ヒートパイプ１０４の内部空間には少量の作動流体、たとえば水、あらゆるアルコール（たとえばエタノール）または、選択された作動流体の液相と蒸気相の混合物を封入してもよい。ヒートパイプ１０４の内壁は焼結または溝形成によって、作動流体に対する毛細管力を備えてもよい。

ヒートパイプ１０４は、作動流体の蒸発と凝縮によってある地点から別の地点に熱エネルギーを伝達する気化冷却を利用して、ＬＥＤから熱を放散させる。たとえば、ＬＥＤからの発熱によってヒートパイプ１０４の中の作動流体が気化すると、作動流体の蒸気が発生して、ヒートパイプ１０４の最高地点まで上昇し、ここで、蒸気は冷却用空気によって凝縮されて液体に戻ると、この液体は下降してヒートパイプ１０４の底部に戻り、再び同じ工程が始まる。ヒートパイプ１０４の内部はより圧力が低いため、ヒートパイプ１０４の中の作動流体の沸点は、ヒートパイプ１０４の外の作動流体の沸点よりはるかに低くなりうる。その結果、ＬＥＤによる発熱は、ヒートパイプ１０４の中の作動流体を標準的な大気条件下より低温で気化させるのに十分であろう。

留意すべき点として、本発明はいずれの特定のヒートパイプの構造にも限定されない。本発明において使用される別の構造を有するヒートパイプも、本発明の範囲内である。たとえば、ヒートシンク１０４は実際には、熱板でもシートでもよい。さらに、これと同じ気液相変化による熱伝達メカニズムを利用する、各種の形状（たとえば、円形または多角形）と大きさのヒートパイプ１０４を使用できる。

ヒートパイプ１０４の内部で使用される作動流体、ヒートパイプ１０４の直径およびその長さは、ヒートパイプ１０４が動作しなければならない温度条件に関係する。本発明の例示的実施形態において、ヒートパイプ１０４には水が収容される。ヒートパイプ１０４の直径に関して、熱が移動する必要のある距離によって直径が決まることがある。直径が大きくなるほど高価となり、また製造時にわずかに移動させたり曲げたりすることが難しくなる。本発明の実施形態において、ヒートパイプ１０４の直径は約５から６ミリメートル（ｍｍ）である。直径と同様に、ヒートパイプ１０４の長さもまた、熱が移動する必要のある距離と製造コストによって決まることある。本発明の例示的実施形態において、ヒートパイプ１０４の長さは約０．５フィートから２．０フィート（約１５ｃｍから６０ｃｍ）である。

図２は、本発明の他の例示的実施形態によるＬＥＤ照明ユニット２００のハイレベルブロック図である。ＬＥＤ照明ユニット２００は、すべての点でＬＥＤ照明ユニット１００と構造的に同様である。しかしながら、ＬＥＤ照明ユニット２００は、少なくとも１つの吸気手段２０２を備えて、ヒートパイプから、したがってＬＥＤからの放熱量が増大されるようにしてもよい。図２に示されるように、吸気手段２０２は１つまたはそれ以上の内側開口部１０６および／または中央コラム１０８を通じて空気流を供給し、「上昇気流」を発生させて、ヒートパイプ１０４により提供される熱伝達を促進することができる。あるいは、冷却ファンまたはその他の冷却機構を使って「上昇気流」を発生させてもよい。１つの実施形態においては、中央コラム１０８の中のヒートパイプ１０４にヒートシンクフィンを取り付けて、冷却を促進してもよい。

図３は、例示的な支持板１０２と１つのヒートパイプ１０４をより詳細に示す。前述のように、各支持板１０２は少なくとも１つのＬＥＤアレイ３０２を有していてもよい。ＬＥＤアレイ３０２は、図３に示されるように、略直線状に相互に隣接して配置される複数の個別のＬＥＤからなる。たとえば、ＬＥＤは、その直線に沿って若干互い違いになっていてもよい。ＬＥＤアレイ３０２に使用されるＬＥＤは、どのような種類のＬＥＤであってもよい。たとえば、ＬＥＤは何色でもよく、また、どのような材料で構成してもよい。

ＬＥＤアレイ３０２は、ＬＥＤ基盤３０４に連結してもよい。ＬＥＤ基盤３０４は、どのような熱伝導性材料で構成してもよく、たとえば銅、アルミニウム等がある。ＬＥＤ基盤３０４は、その後、集熱器３０６に連結してもよい。集熱器３０６はまた、どのような熱導電性材料で構成してもよく、たとえば銅、アルミニウム等がある。集熱器３０６は、どのような形状でもよく、またどのような寸法でもよい。たとえば、集熱器３０６は板であってもよく、集熱器３０６の寸法はＬＥＤ基盤３０４と形状的に同様であってもよい。

ヒートパイプ１０４は、集熱器３０６に連結してもよい。しかしながら、熱を伝える必要のある熱伝導界面の数を最小限にし、ＬＥＤアレイ３０２からの熱伝達を最大限にするために、ヒートパイプ１０４は、集熱器３０６に直接連結してもよい。さらに、ヒートパイプ１０４は戦略的に、ＬＥＤアレイ３０２の真下に設置して、ヒートパイプがＬＥＤアレイ３０２に平行に延びるようにする。その結果、ヒートパイプ１０４とＬＥＤアレイ３０２の中の各ＬＥＤの間の距離が最小限となる。これが図３に示されている。このようなＬＥＤアレイ３０２に関するヒートパイプ１０４の特別な配置はまた、ＬＥＤアレイ３０２からの放熱の効率をなるべく高くするのにも役立つ。本発明の他の実施形態において、ヒートパイプ１０４は、集熱器３０６を使用せずに直接ＬＥＤ基盤３０４に連結してもよい。

１つの実施形態において、ヒートパイプ１０４は、当初は支持板１０２に平行に延び、やがて、支持板１０２の１つまたはそれ以上の内側開口部１０６に向かって角度がつけられる。支持板１０２の相対的位置に応じたある地点で、ヒートパイプ１０４を曲げて、垂直に上方に延びるようにしてもよい。ヒートパイプ１０４が垂直に上方に延び始める正確な地点については、図５を参照しながら以下に詳しく説明する。

熱伝導性の界面材料をＬＥＤ基盤３０４と集熱器３０６の間に設置してもよい。熱伝導性の界面材料はＬＥＤ基盤３０４と集熱器３０６の間の熱伝導を最大限にするのに役立ち、それによって今度は、ヒートパイプ１０４への熱伝達が最大限となる。熱伝導性の界面材料は、たとえば相変化材料、熱グリース、熱伝導エポキシまたはサーマルテープであってもよい。

ヒートパイプ１０４とこれに関連する構造のより詳細な図を図４に示す。図４は、ヒートパイプ１０４、ＬＥＤアレイ３０２、ＬＥＤ基盤３０４および集熱器３０６の断面図である。図示されていないが、前述のように、相変化材料をＬＥＤ基盤３０４と集熱器３０６の間に設置してもよい。

上記に加え、図４は連結ジョイント３１２を示す。連結ジョイント３１２は、溶接、はんだまたは接着剤で形成してもよい。他の実施形態では、機械的手段、たとえばクランプやネジを使用することもできる。その結果、ヒートパイプ１０４を集熱器３０６に直接結合することによって、熱伝導部の数を最小限にしてもよい。すると、集熱器３０６は、ＬＥＤ基盤３０４に直接連結してもよい。

図３に戻ると、支持板１０２はまた、ＬＥＤアレイ３０２、ＬＥＤ基盤３０４、集熱器３０６およびヒートパイプ１０４を受け、これらを実装するための陥凹部３０８を有していてもよい。しかしながら、前述のように、本発明の他の実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１００には支持板１０２がなく、ＬＥＤ基盤３０４、集熱器３０６およびヒートパイプ１０４の組み合わせが支持板１０２として機能してもよい。

本発明の例示的実施形態において、支持板１０２は、６つのＬＥＤアレイ３０２とヒートパイプ１０４を受け、これらを実装するための６つの陥凹部３０８を有していてもよい。当業者であれば、本発明では、いくつのＬＥＤアレイ３０２とヒートパイプ１０４を受け、これらを実装するためのいくつの陥凹部３０８があってもよいことがわかるであろう。

図３に示される例示的実施形態では、ＬＥＤアレイ３０２、ＬＥＤ基盤３０４および集熱器３０６の水平の配置が示されているが、当業者であれば、ＬＥＤアレイ３０２を実装する配置がこれと異なっていてもよいことがわかるであろう。たとえば、ＬＥＤアレイ３０２は、図３と図４に示されるような水平面ではなく、垂直面に実装してもよい。ヒートパイプ１０４は、それほど曲げず、しかしながら依然として垂直に、すべてのヒートパイプ１０４を所定の位置に保持する天板まで延びるようにしてもよい。

上記に加えて、支持板１０２はまた、少なくとも１つの開口部３１０を有していてもよい。前述のように、１つまたはそれ以上の開口部１０６は開口部３１０への言及を含んでいてもよく、本明細書ではこれらを互換的に使用する場合がある。開口部３１０により、ヒートパイプ１０４を適正に整列させることができ、これについて、図５を参照しながら後述する。開口部３１０の形状と大きさにより、支持板１０２は、ＬＥＤ照明ユニット１００の中のどのレベルにおいても使用できる。たとえば、開口部３１０はスロットの形状であってもよい。それゆえ、同じ支持板１０２をＬＥＤ照明ユニット１００の各レベルについて同じに製造できるが、開口部３１０の中のヒートパイプ１０４の位置決めがレベルごとに異なっていてもよい。

注目される点として、前述のように、支持板１０２は熱伝導性材料、たとえば銅、アルミニウム等から構成される。したがって、本発明による支持板１０２の進歩的な設計により、ヒートパイプ１０４のいずれかが故障した場合のための冗長性が提供される。たとえば、ヒートパイプ１０４とＬＥＤ基盤３０４に連結された集熱器３０６は、支持板１０２と緊密に接触している。その結果、ヒートパイプ１０４の１つが故障したとしても、熱は、支持板１０２を通じて、機能中のヒートパイプ１０４に伝わりうる。

さらに、本発明による支持板１０２の進歩的設計により、支持板１０２は、ＬＥＤアレイ３０２から発生する熱をヒートパイプ１０４から均一に放散させることができる。たとえば、支持板１０２に複数のＬＥＤアレイ３０２が設けられていれば、ＬＥＤアレイ３０２の１つが他のＬＥＤアレイ３０２よりはるかに高温となるかもしれない。これによって、より高温のＬＥＤアレイ３０２に連結されたヒートパイプ１０４は他のヒートパイプ１０４よりはるかに酷使されるかもしれない。支持板１０２は、ヒートパイプによるＬＥＤアレイ３０２からの発熱の散逸を均一化させる傾向があるため、この不均一性を回避することができる。

図５は、本発明の例示的なＬＥＤ照明ユニット４００の分解図である。図５に示されるＬＥＤ照明ユニット４００では、４層の支持板１０２₁、１０２₂、１０２₃、１０２₄が示されている。しかしながら、前述のように、ＬＥＤ照明ユニット４００は、支持板１０２がない場合を含め、何枚の支持板１０２を備えていてもよく、完全なモジュール式として構成される。

例示的実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット４００に複数の支持板１０２が使用された場合、一番下の支持板１０２₄にはヒートパイプ１０４が不要であってもよい。その代わりに、一番下の支持板１０２₄を保持する基底部４０２をいずれかの熱伝導性材料、たとえば銅、アルミニウム等で構成して、熱を一番下の支持板１０２₄から、支持構造、たとえば、ＬＥＤ照明ユニット４００が連結される照明塔等を通じて放散させる機能を果たすようにしてもよい。しかしながら、基底部４０２を非熱伝導性材料、たとえばプラスチックで構成した場合は、一番下の支持板１０２₄にもヒートパイプ１０４を設けてよい。

続く支持板１０２₁から１０２₃の各々は、各支持板１０２₁から１０２₃の１つまたはそれ以上の内側開口部１０６または開口部３１０（図３に示すような）を通って垂直に延びるヒートパイプ１０４を有していてもよい。各支持板１０２₁から１０２₄のヒートパイプ１０４は、一番上の支持板１０２₁から一番下の支持板１０２₄の真上の支持板１０２₃まで、直線状に半径方向に外側へと配置される。たとえば、一番上の支持板１０２₁のヒートパイプ１０４は、１つまたはそれ以上の内側開口部１０６を通って垂直に延びるであろう。このヒートパイプ１０４は、一番上の支持板１０２₁の１つまたはそれ以上の内側開口部１０６または開口部３１０の周縁に直接隣接することになる。

一番上の支持板１０２₁の真下の支持板１０２₂のヒートパイプ１０４は、支持板１０２₂と一番上の支持板１０２₁の両方のそれぞれ１つまたはそれ以上の内側開口部１０６または開口部３１０を通って垂直に延びるであろう。しかしながら、支持板１０２₂のヒートパイプ１０４が上方に向かって垂直に延び始める位置は、一番上の支持板１０２₁のヒートパイプ１０４より若干中央に近い（すなわち、半径方向に内側）であろう。それゆえ、支持板１０２₂のヒートパイプ１０４は、一番上の支持板１０２₁のヒートパイプ１０４に対して、直線状に半径方向に内側の隣接した位置で垂直に延びる。それに続く下の支持板（たとえば、１０２₃）のヒートパイプ１０４もこれと同様である。ヒートパイプが開口部３１０を通る場合、開口部３１０は、前述のように、ヒートパイプ１０４の各々の位置決めを案内することができる。

各支持板１０２₁から１０２₄は、中央コラム１０８に連結してもよい。図６に示されるように、少なくとも１つのカラー６０２を、ピン（図示せず）を通じて中央コラム１０８に連結してもよい。カラー６０２は、各支持板１０２₁から１０２₄の間の間隔をあけ、また各々を水平にする。さらに、カラー６０２はまた、あらゆる熱伝導性材料、たとえば銅、アルミニウム等で構成して、ＬＥＤアレイ３０２からヒートパイプ１０４への熱伝達の効率を最大限にするのに役立ててもよい。

図５に戻り、レンズカバー４１２を使って、ＬＥＤ照明ユニット４００と、少なくとも１つのヒートシンク４０６を支持するプレート４０４を封入してもよい。レンズカバー４１２は、ＬＥＤから発生された光がユニットから出られるようするために、透明材料、たとえばガラスまたはプラスチック等で構成してもよい。レンズカバー４１２は、ＬＥＤ照明ユニット４００への外的要素、たとえば水分や埃等の侵入を防止するのに役立つ。

ＬＥＤ照明ユニット４００はまた、前述のように、プレート４０４の外側コラム４１４に取り付けられた少なくとも１つのヒートシンク４０６を備えていてもよい。少なくとも１つのヒートシンク４０６を外側コラム４１４に取り付ける方法に関するより詳細な説明は、図７を参照しながら後述する。外側コラム４１４とプレート４０４は、一体の材料で製造しても、あるいは、別々に製造してから合体させて、単独の部品として形成してもよい。図５に示される例示的実施形態においては、６つのヒートシンク４０６が使用されている。当業者であれば、本発明がどのような具体的な個数のヒートシンクにも限定されないことがわかるであろう。本発明には、ヒートシンク４０６をいくつでも使用できる。

プレート４０４は、どのような熱伝導性材料で構成してもよく、たとえば銅やアルミニウムがある。プレート４０４は畝状突起４０８を備え、これはプレート４０４の平面から若干隆起していてもよい。畝状突起４０８以外の領域は、プレート４０４の中心から外側に向かって傾斜していてもよい。畝状突起４０８によって、ヒートシンク４０６を、ヒートシング４０６の下に空気が流れて、最大限に冷却が行われるように取り付けることができる。これに加えて、畝状突起４０８により、ＬＥＤ照明ユニット４００の中心からすべての水分が遠ざけられる。それゆえ、水分がＬＥＤ照明ユニット４００の中へと漏れることが防止される。

プレート４０４はまた、畝状突起４０８の各々に、ヒートパイプ１０４を受けるための複数の穴４１０を有していてもよい。ヒートパイプ１０４は、プレート４０４と穴４１０を通じて、ヒートシンク４０６の中へと垂直に延びる。それゆえ、ヒートシンク４０６がヒートパイプ１０４を取り囲み、最大限に冷却することができる。密閉構造、たとえばＯリングを穴４１０の各々に設置して、ヒートパイプ１０４の周囲を密閉状態にし、これによって水分が穴４１０からＬＥＤ照明ユニット４００に漏出するのを防止してもよい。

ヒートシンク４０６には複数のフィンを設けて、ヒートシンク４０６の表面積がなるべく大きくなるようにしてもよい。これは、冷却効率をできるだけ改善するのに役立つ。１つの実施形態において、各ヒートシンク４０６は２つの別々の部分を備えていてもよい。

図７は、本発明の例示的なヒートシンク４０６の上面図である。前述のように、ヒートシンク４０６は実際には、２つの別々の部品から構成してもよい。ヒートシンク４０６の２つの別々の部品は、蟻継連結５０２によってプレート４０４に連結してもよい。図７に示されるように、ヒートシンク４０６の各部品の端５１２は、若干湾曲している。ヒートシンク４０６の各部品の若干湾曲した端５１２は、外側コラム４１４の、これに対応する端５１０と嵌合し、このようにして蟻継連結５０２が構成される。

蟻継連結５０２により、ヒートシンク４０６を外側コラム４１４に組み付け、取り付けやすくなる。たとえば、蟻継連結５０２によって、ヒートシンク４０６の各部品が搖動して、開閉することができる。それゆえ、ＬＥＤ照明ユニット４００の製造中、複数のヒートシンク４０６を使用する場合、この複数のヒートシンク４０６の最後の１つを他のヒートシンク４０６の間に設置するのが格段に容易となりうる。

これに加えて、ヒートシンク４０６は、ヒートシンク４０６の２つの部品の各々に複数の溝５０４を有していてもよい。ヒートシンク４０６の２つの部品を相互に連結すると、溝５０４によって円形の穴ができ、その直径はヒートパイプ１０４の直径と略等しい。溝５０４はまた、プレート４０４の穴４１０の位置およびヒートパイプ１０４と整列するように位置付けられる。前述のように、ヒートパイプ１０４はプレート４０４と穴４１０を通って垂直に延び、ヒートシンク４０６により包囲されるようにして、冷却が最大限に行われるようにする。溝５０４の中で熱伝導性界面材料を使用し、ヒートパイプ１０４と溝５０４の間に隙間がないようにしてもよい。これによって、熱伝達が最大限に行われる。

別の実施形態において、ヒートシンク４０６は実際には、１つの部品で構成してもよい。その結果、ヒートシンク４０６には、ヒートパイプ１０４を挿入するための複数の穴を設けてもよい。ヒートパイプ１０４の端は、ヒートシンク４０６の穴に挿入するようにテーパが付いていてもよい。さらに、穴に熱伝導性界面材料を充填して、ヒートパイプ１０４と穴の間のすべての隙間を埋めるようにしてもよい。

他の代替的実施形態においては、図５に示されるヒートシンク４０６とプレート４０４が１つの中実の連続部品であってもよい。ヒートシンク４０６が上述のような単独の部品である別の実施形態と同様に、単体のヒートシンクは、ヒートパイプ１０４を挿入するための複数の穴を有していてもよい。前述のように、ヒートパイプ１０４の端は、ヒートシンク４０６の穴に挿入するためにテーパが付いていてもよい。さらに、穴に熱伝導性界面材料を充填して、ヒートパイプ１０４と穴の間のすべての隙間を埋めるようにしてもよい。

図８は、本発明の例示的なＬＥＤ照明ユニット４００の完成状態の側面図である。図８に示されるように、ＬＥＤ照明ユニット４００は、完全に密閉して、外部要素、たとえば風、雨、霰、雪、埃、粉塵等に曝されないようにしてもよい。これは、ＬＥＤの寿命を最大限に延ばし、ＬＥＤ照明ユニット４００に必要な保守作業を最小限にするのに役立つ。

図９は、本発明の例示的なＬＥＤ照明ユニット４００の完成状態の等角図である。図８と図９に示されるように、ＬＥＤ照明ユニット４００は、有利な点として、小型に設計される。それゆえ、このＬＥＤ照明ユニット４００は、重機やクレーンを使用せずに、各種の用途、たとえば無線鉄塔、風力発電機および製油所のフレアスタックの最上部等に取り付けられる。作業員がＬＥＤ照明ユニット４００を運んでもよい。

図１０は、本発明のヒートパイプ１０４を使用した、他の実施形態によるＬＥＤ照明ユニット１０００を示す。１つの実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１０００は、車両、たとえば自動車、飛行機、列車、全地形対応車（ＡＴＶ）等のヘッドライトまたは前照灯として使用してもよい。

１つの実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１０００は支持板１０２を備える。１つまたはそれ以上のヒートパイプ１０４を支持板１０２の第一の面に連結してもよい。たとえば、１つのヒートパイプを支持板１０２の周囲にらせん状に溶接してもよく、または複数の個々のヒートパイプ１０４を支持板１０２に連結してもよい。さらに、１つまたはそれ以上のヒートシンク、たとえばヒートシンク４０６を、１つまたはそれ以上のヒートパイプ１０４に連結してもよい。

ＬＥＤ照明ユニット１０００は、支持板１０２の第一の面と反対の第二の面に、熱電クーラ１００２、少なくとも１つのＬＥＤ １００および少なくとも１つの温度センサ１００４を有していてもよい。これに加えて、ＬＥＤ照明ユニット１０００は、１つまたはそれ以上の反射板１００８と、支持板１０２に連結され、少なくとも１つのＬＥＤ １００を覆うハウジング１００６を有していてもよい。

１つの実施形態において、熱電クーラ１００２は、電子コンポーネント等の物体の冷却に使用できるペルティエ素子または超小型ペルティエ素子であってもよい。素子１００２を熱電クーラと呼んでいるが、留意すべき点として、熱電クーラは加熱にも使用できる。換言すれば、熱電クーラ１００２は、逆モードにして、電子コンポーネント、たとえばＬＥＤ照明ユニット１０００等を加熱するためにも使用できる。

１つの実施形態において、温度センサ１００４でＬＥＤ １００の温度を監視してもよい。留意すべき点として、温度センサ１００４はいくつ使用してもよく、また、これをＬＥＤ照明ユニット１０００の中のどこに配置してもよい。たとえば、別の温度センサ１００４を、ハウジング１００６、ＬＥＤ １００のＬＥＤ回路基板、支持板１０２または、ＬＥＤ照明ユニット１０００に配置して、周辺温度を監視してもよい。

１つの実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１０００はまた、コントローラ１０１０を備えていてもよい。コントローラ１０１０は、プロセッサ、メモリおよび１つまたはそれ以上の入力／出力デバイスを含んでいてもよい。メモリは、複数の命令を記憶させた、どのような種類のコンピュータ読取可能記憶媒体であってもよく、この複数の命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに少なくとも１つのＬＥＤ １００の温度を制御する方法を実行させる。コントローラ１０１０は、熱電クーラ１００２と少なくとも１つの温度センサ１００４に連結してもよい。これらの少なくとも１つの温度センサ１００４、熱電クーラ１００２およびコントローラ１０１０の間に、フィードバックループを使用してもよい。１つの実施形態において、コントローラ１０１０は１つまたはそれ以上のアナログアンプまたはコンパレータを備えていてもよい。コントローラ１０１０は、温度保持のための具体的な設定温度を目標温度としてもよい。他の実施形態においては、閾値温度を利用して、熱電クーラ１００２をオンにしてもよい。

フィードバックループを使用して、ＬＥＤ １００または、温度センサ１００４を備える他のコンポーネントの温度を自動制御してもよい。たとえば、所定の高温閾値をＬＥＤ１００に関連付けてもよい。１つの実施形態において、所定の高温閾値は摂氏８０度（℃）未満であってもよい。他の実施形態では、所定の高温閾値は２５℃より高くてもよい。それゆえ、ＬＥＤ １００が所定の高温閾値に到達したことを温度センサ１００４が検出したら、コントローラ１０１０に信号が送信されてもよい。その後、コントローラ１０１０は制御信号を熱電クーラ１００２に送り、ＬＥＤ １００を冷却してもよい。

１つの実施形態において、所定の低温閾値をＬＥＤ １００に関連付けてもよい。たとえば、所定の低温閾値は−５℃より高くてもよい。他の実施形態において、所定の低温閾値は１０℃未満であってもよい。それゆえ、ＬＥＤ １００が所定の低温閾値に到達したことを温度センサ１００４が検出したら、コントローラ１０１０に信号が送信されてもよい。その後、コントローラ１０１０は制御信号を熱電クーラ１００２に送り、ＬＥＤ １００を加熱してもよい。留意すべき点として、所定の閾値にはどの温度を使用してもよい。しかしながら、適正な低温または高温閾値を選択することによって、最適な電力消費と性能を確実に実現できる。

加熱モードでは、ＬＥＤ １００を伝熱クーラ１００２と一緒にオンにすることにより、加熱し、したがって雪や氷を最大限に融解させてもよい。ヘッドランプのハイビームモードとロービームモードのどちらでも、本願の発明を利用できる。ハイビーモードは通常、より消費電力が大きいため、より多くの熱を発生させる。ヘッドランプの場合、ハイビームモードでは、熱電クーラ１００２を加熱モードにしてＬＥＤ １００を動作させて、ＬＥＤ １００からの発熱が最大となるようにしてもよい。

熱電気クーラ１００２への制御信号はまた、連続的にも可変的に動作させることができる。したがって、熱電クーラ１００２は、温度を特定の設定温度に維持するために、加熱または冷却のいずれかを行う。１つの実施形態において、設定点は０℃から４０℃の間である。１つの実施形態において、制御信号は可変電流であってもよい。他の実施形態においては、制御信号は可変デューティサイクルであってもよい。デューティサイクルは、パルス幅変調、周波数変調またはパルス密度変調のいずれによって変化させてもよい。

１つの実施形態において、２つまたはそれ以上の熱電クーラ１００２を一緒に使用する。２つまたはそれ以上の熱電クーラ１００２は、並列にも直列にも配置してよい。２つまたはそれ以上の熱電クーラ１００２は、背中合わせ、または横並びに配置してもよい。

ヒートパイプ１０４等の熱抵抗の低いコンポーネントを熱電クーラ１００２と併用すると、熱電クーラ１００２の効率が改善される。これは、熱電クーラ１００２での加熱と冷却のいずれにも当てはまる。

フィードバックループが温度センサ１００４からデータを継続的に受信して、温度に基づき、コントローラ１０１０が必要に応じて熱電クーラ１００２のオン、オフを基本的に連続的に切り換えるようにしてもよい。

１つの実施形態において、コントローラ１０１０は、温度に関係なく、熱電クーラ１００２のオンとオフを切り換えるようにプログラムしてもよい。たとえば、ＬＥＤ照明ユニット１０００が車両に搭載される場合、車両の移動中、ＬＥＤ照明ユニット１０００の周囲の空気流が増大するとＬＥＤ１００が所定の閾値温度より低く保ためるため、熱電クーラ１００２をオンにする必要がないかもしれない。

１つの実施形態において、コントローラ１０１０は、遠隔的に配置してもよい。たとえば、コントローラ１０１０を車両のディスプレイコンソールまたはダッシュボードに配置してもよい。これによってその車両の運転者は、コントローラ１０１０の一部である入力／出力デバイスを使って、冷却と加熱のための所定の温度を設定し、またはマニュアル操作で熱電クーラ１００２をオンとオフにすることができる。

１つの実施形態において、熱電クーラ１００２とヒートパイプ１０２の組み合わせにより、ＬＥＤ １００からの放熱効率が改善されうる。たとえば、ヒートパイプ１０２を車両の金属部分、たとえばバンパ、シャーシ等に連結してもよい。その結果、ヒートパイプ１０２はまた、熱をＬＥＤ １００から除いて、車両の外に放出させることができる。

あるいは、ヒートパイプは、ハウジング１００６に連結してもよい。その結果、ＬＥＤ １００からヒートパイプ１０２に放散した熱は、ヒートパイプ１０２からハウジング１００６に伝達されうる。これは、ＬＥＤ照明ユニット１０００に雪や氷が付着しがちな冬期に特に有益である。ＬＥＤ １００から放散した熱を、ハウジング１００６の外側の雪と氷を加熱し、融解させるために利用してもよい。

図１１は、他の実施形態によるＬＥＤ照明ユニット１１００を示す。前述のように、熱電気クーラをヘッドランプの中のＬＥＤと一緒に使用できる。ＬＥＤ照明ユニット１０００と同様に、ＬＥＤ照明ユニット１１００は、支持板１１０２と、支持板１１０２に連結された１つまたはそれ以上のヒートパイプ１０４を有していてもよい。留意すべき点として、図１１に示される実施形態では、１つまたはそれ以上のヒートパイプ１０４は任意選択要素である。

しかしながら、図１１に示される実施形態において、ＬＥＤ照明ユニット１１００はＬＥＤ １００Ａと１００Ｂ（以下、まとめてＬＥＤ １００という）を備えていてもよく、これらをプレート１１２０の上面と下面に取り付けてもよい。ＬＥＤ照明ユニット１１００はまた、プレート１１２０の上面または下面に取り付けられたＬＥＤ １００Ａまたは１００Ｂだけを備えていてもよい。留意すべき点として、ＬＥＤ １００はまた、その時点で熱電クーラ１１０２に関して９０度に位置付けられるプレート１１２０にも、または熱電クーラ１１０２に平行に位置付けられるプレート１１２０にも取り付けられる。１つの実施形態において、１つまたはそれ以上の反射板１１０８Ａと１００８Ｂ（以下、まとめ反射板１１０８ともいう）をＬＥＤ １００の各々に連結してもよい。

プレート１１２０はハウジング１１０６の一部であってもよく、また、プレート１１２０は、別のコンポーネントとして、その後、ハウジング１１０６に取り付けてもよい。ハウジング１１０６を金属、たとえばアルミニウムで構成して、熱を放散させてもよい。ハウジング１１０６は、片面にライトカバー１１２２を有していてもよい。ライトカバー１１２２は、プラスチックまたはガラス製であってもよい。

ＬＥＤ照明ユニット１１００はまた、電源およびコントローラユニット１１１０とケーブル引込口１１２４を備えていてもよい。電源およびコントローラユニット１１１０はまた、１つまたはそれ以上の温度センサ（図示せず）に連結して、上述のＬＥＤ照明ユニット１０００と関連付けられた構成と同様の熱電クーラ１１０２を制御するためのフィードバックループを構築してもよい。

ＬＥＤ照明ユニット１１００の中の電気回路には、ＬＥＤ照明ユニット１１００を水から保護するためのコーティングを設けてもよい。コーティングは、絶縁保護コーティングまたは注封材料であってもよい。コーティングは、ＬＥＤ １００、電源およびコントローラユニット１１１０とこれに関連する配線をカバーしてもよい。ＬＥＤ照明１１００はまた、前述のように、ヒートシンクまたはヒートシンクフィン４０６を有していてもよい。

以上、各種の実施形態を説明したが、当然のことながら、これらは例として示しており、限定するものではない。それゆえ、好ましい実施形態の広さと範囲は、上記の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、以下の特許請求の範囲およびその等価物によってのみ定義されるべきである。

Claims (20)

1. 発光ダイオード（ＬＥＤ）照明ユニットであって、
   少なくとも１つの支持板と、
   前記少なくとも１つの支持板に連結された少なくとも１つのヒートパイプと、
   前記少なくとも１つの支持板に連結された少なくとも１つのＬＥＤと、
   前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された少なくとも１つの熱電クーラと、
   前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された少なくとも１つの温度センサと、
   を備えることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
2. 請求項１に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記ＬＥＤ照明ユニットは、車両用ヘッドライトであることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
3. 請求項２に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記少なくとも１つのヒートパイプが前記車両の一部に連結されていることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
4. 請求項３に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記一部がバンパまたはシャーシの少なくとも一方であることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
5. 請求項１に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記少なくとも１つの熱電クーラと前記少なくとも１つの温度センサに連結されたコントローラをさらに備えることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
6. 請求項５に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記コントローラ、前記少なくとも１つの熱電クーラおよび前記少なくとも１つの温度センサが、前記少なくとも１つのＬＥＤの温度を制御するためのフィードバック制御ループを形成することを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
7. 請求項５に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記コントローラが遠隔的に車両のディスプレイコンソールに配置されることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
8. 請求項１に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記少なくとも１つの熱電クーラがペルティエ素子からなることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
9. 請求項１に記載のＬＥＤ照明ユニットであって、
   前記少なくとも１つのヒートパイプに連結されたハウジングをさらに備え、前記少なくとも１つのヒートパイプが前記少なくとも１つのＬＥＤからの熱を前記ハウジングに放散させることを特徴とするＬＥＤ照明ユニット。
10. 少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）の温度を制御する方法であって、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの温度測定値を受信するステップと、
    前記温度測定値と所定の閾値とを比較するステップと、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの温度を、前記比較するステップに基づいて調節するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記温度測定値が前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された温度センサから受信されることを特徴とする方法。
12. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記比較するステップが、
    前記温度測定値は所定の閾値より高いか否かを判定するステップを含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記調節するステップが、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの前記温度を、前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された熱電クーラまたは前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された少なくとも１つのヒートパイプの少なくとも一方を介して下降させるステップを含むことを特徴とする方法。
14. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記比較するステップが、
    前記温度測定値は所定の閾値より低いか否かを判定するステップを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記調節するステップが、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの前記温度を、前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された熱電クーラを介して上昇させるステップを含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１２に記載の方法であって、
    前記受信するステップと前記比較するステップが同時に行われることを特徴とする方法。
17. 請求項１０に記載の方法であって、
    前記調節するステップにおいて前記少なくとも１つのＬＥＤから放散された熱が、前記少なくとも１つのＬＥＤを覆うハウジングの外側に伝達されることを特徴とする方法。
18. 複数の命令が記憶されたコンピュータ読取可能記憶媒体であって、前記複数の命令は、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに少なくとも１つの発光ダイオード（ＬＥＤ）の温度を制御する方法を実行させる命令を含み、前記方法は、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの温度測定値を受信するステップと、
    前記温度測定値と所定の閾値とを比較するステップと、
    前記少なくとも１つのＬＥＤの温度を、前記比較するステップに基づいて調節するステップと、
    を含むことを特徴とするコンピュータ読取可能記憶媒体。
19. 請求項１８に記載のコンピュータ読取可能記憶媒体であって、
    前記温度測定値が前記少なくとも１つのＬＥＤに連結された温度センサから受信されることを特徴とするコンピュータ読取可能記憶媒体。
20. 請求項１８に記載のコンピュータ読取可能記憶媒体であって、
    前記受信するステップと前記比較するステップが同時に行われることを特徴とするコンピュータ読取可能記憶媒体。

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