JP4605526B2 - Ｌｅｄランプ - Google Patents

Description

本発明は、光源としてＬＥＤ素子を使用したヘッドランプ等の車両用灯具を含むＬＥＤランプに関する。

従来、光源としてＬＥＤ素子を使用したＬＥＤヘッドランプは、例えば図５に示すように構成されている。
即ち、図５において、ＬＥＤヘッドランプ１は、前面が開放した樹脂製の筐体２と、この筐体２内に設けられた複数個（図示の場合、二個）のＬＥＤランプユニット３と、上記筐体２の前面を覆うように筐体２に取り付けられた透光性樹脂材料から成る前面レンズ４と、から構成されている。

上記各ＬＥＤランプユニット３は、それぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を含んでおり、前方に向かって光を出射するように、ランプユニット支持体５により筐体２の内側に支持されている。
ここで、各ＬＥＤランプユニット３は、公知の如く、ＬＥＤ素子３ａと、リフレクタ３ｂと、投影レンズ３ｃと、シャッタ３ｄから構成されており、ＬＥＤ素子３ａから出射した光をリフレクタ３ｂにより集束させ、投影レンズ３ｃにより前方に向かって照射すると共に、シャッタ３ｄによりカットオフラインを形成するようになっている。

このような構成のＬＥＤヘッドランプ１によれば、各ＬＥＤランプユニット３に対して外部から給電することにより、各ＬＥＤランプユニット３のＬＥＤ素子が駆動され、発光する。そして、各ＬＥＤランプユニット３から出射した光が、上記前面レンズ４を介して前方に向かって照射される。

このようなＬＥＤヘッドランプ１においては、個々のＬＥＤ素子の発光に伴って熱が発生する。
ところで、図６に示すように、ＬＥＤ素子は一般的に温度に対して負の発光特性を有している、即ち温度が上昇するに従って発光効率（光束）が低減することが知られている。
従って、ＬＥＤヘッドランプにおいては、筐体２及び前面レンズ４が熱伝導性の低い樹脂製であることから、各ＬＥＤ素子の発熱に対する対策が重要であり、特に各ＬＥＤ素子を互いに同じ温度に保持することが要求される。

これに対して、特許文献１においては、集光用の凸レンズの厚肉部分に空間を設けて、この空間内に透明な液体を給排する管状部材を設けて、上記凸レンズの空間内に管状部材を介して冷媒としての透明な液体を給排することにより、上記凸レンズを冷却するようにした冷却手段を備えたＬＥＤヘッドランプが開示されている。
また、特許文献２には、半導体発光素子を冷却するための冷却装置を備えたＬＥＤ式照明ユニットが開示されている。
特開２００４−２１４１４４号 特開２００５−０７１８７０号

ところで、上述した特許文献１によるＬＥＤヘッドランプにおいては、凸レンズを冷却することにより、各ＬＥＤで発生する熱を間接的に冷却するように構成されており、その冷却効果が比較的低く、各ＬＥＤを十分に冷却することはできず、特に各ＬＥＤを同じ温度に冷却するようには構成されていない。このため、例えば中央付近に配置されたＬＥＤの冷却効果が周辺付近に配置されたＬＥＤの冷却効果に対して低いことから、各ＬＥＤの温度にバラツキが生ずることになってしまう。

また、上述した特許文献２によるＬＥＤ式照明ユニットにおいては、単に空冷または水冷式の冷却装置を備えるという記載があるのみで、具体的に何をどのように冷却するかについては記載されていない。

本発明は、以上の点から、複数個のＬＥＤランプユニットを含む場合でも、簡単な構成により、各ＬＥＤランプユニットを確実に冷却し、好ましくは各ＬＥＤランプユニットを均一の温度に保持し得るようにした、ＬＥＤランプを提供することを目的としている。

上記目的は、本発明の第一の構成によれば、前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように上下にずれて配置されたそれぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を有する複数個のＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、を含んでいるＬＥＤランプにおいて、上記各ＬＥＤランプユニットがそれぞれ熱的に接続された複数個の冷却部と、上記筐体の外部に配置され且つ外部に熱を放出する放熱部と、上記各冷却部の熱をそれぞれ上記放熱部に対して伝達する水冷式の冷却管の流路と、を備える水冷式の冷却システムを有しており、上記冷却管の流路の内径、形状及び長さの少なくともいずれか一つが、上記各冷却部が接続する上記各ＬＥＤランプユニットの電力に対応した流量となるように設定されることを特徴とする、ＬＥＤランプにより達成される。

また、上記目的は、本発明の第二の構成によれば、前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように上下にずれて配置されたそれぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を有する複数個のＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、を含んでいる車両用のＬＥＤランプにおいて、上記各ＬＥＤランプユニットがそれぞれ熱的に接続された複数個の冷却部と、上記筐体の外部に配置され且つ外部に熱を放出する放熱部と、上記各冷却部の熱をそれぞれ上記放熱部に対して伝達する水冷式の冷却管の流路と、を備える水冷式の冷却システムを有しており、上記冷却管の流路の内径、形状及び長さの少なくともいずれか一つが、上記各冷却部が接続する上記各ＬＥＤランプユニットの電力に対応した流量となるように設定されることを特徴とする、車両用のＬＥＤランプにより達成される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記放熱部が、自然空冷により放熱される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記放熱部が、空冷ファン等を使用した強制空冷により放熱される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、冷却管の流路の内径，形状及び長さにより調整される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、互いに同じになるように調整される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各冷却部内にて、上記冷却管ができるだけ大きな表面積を有している。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対する投入電力に応じて調整される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、調整される。

本発明によるＬＥＤランプは、好ましくは、上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、一つの冷却管が互いに流量分岐されて各冷却部に接続されている。

上記構成によれば、各ＬＥＤランプユニットのＬＥＤ素子に対して外部から給電することにより、個々のＬＥＤ素子が駆動され、発光する。そして、各ＬＥＤランプユニットから出射した光が、上記前面レンズを介して前方に向かって照射される。

この場合、各ＬＥＤランプユニットのＬＥＤ素子で発生した熱は、ＬＥＤランプユニットに熱的に接続された冷却部から冷却管を介して放熱部に伝達される。そして、この放熱部から自然空冷または強制空冷により外部に放熱されることにより、各ＬＥＤランプユニットが確実に冷却されることになる。
これにより、各ＬＥＤランプユニットのＬＥＤ素子が比較的低い温度に保持されることになり、各ＬＥＤ素子の発光効率の温度上昇による低下が抑制され得ることになる。

ここで、冷却のために少なくとも一つのＬＥＤ素子やＬＥＤランプユニットの温度を測定することなく、各ＬＥＤランプユニットが所定温度に冷却され得ることになるので、ＬＥＤ素子の発光効率が安定化され得ることになる。
また、周囲温度が変化したとしても、各ＬＥＤランプユニットが水冷により常に同じ温度に冷却され得るので、ＬＥＤ素子の発光効率が常に安定していることになる。

上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、冷却管の流路の内径，形状及び長さにより調整される場合には、これらの調整によって、各ＬＥＤランプユニットにおける冷却能力がそれぞれ所定値に設定され得ると共に、ＬＥＤ素子等の温度を常にモニタして、冷却能力を制御する必要がないので、簡単な構成により低コストで構成され得ることになる。

上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、互いに同じになるように調整される場合には、各ＬＥＤランプユニットがそれぞれ同じ冷却能力により均等に冷却され得ることになる。

上記各冷却部内にて、上記冷却管ができるだけ大きな表面積を有している場合には、冷却管による冷却能力ができるだけ高められ得ることになる。

上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対する投入電力に応じて調整される場合には、各ＬＥＤランプユニットの投入電力による発熱量に対応した冷却能力が設定され得ることになる。

上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、調整される場合には、各ＬＥＤランプユニットが同じ温度に冷却されることにより、各ＬＥＤランプユニットにおけるＬＥＤ素子の発光効率が互いに均一になる。

上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、一つの冷却管が互いに流量分岐されて各冷却部に接続されている場合には、各冷却管の流量比を前もって設定した値に設定しておくことにより、簡単な構成で各ＬＥＤランプユニットが同じ温度に冷却されることになる。

このようにして、本発明によれば、複数のＬＥＤランプユニットを有するＬＥＤランプ、例えば自動車用ＬＥＤヘッドランプ等の車両用のＬＥＤランプにおいて、各ＬＥＤランプユニットで発生した熱がそれぞれ対応する冷却部から対応する冷却管を介して放熱部に伝達され、外部に放熱されることになる。
これにより、各ＬＥＤランプユニットが、対応する冷却部及び冷却管の冷却能力に基づいて、それぞれ冷却されることになるので、各ＬＥＤランプユニットのＬＥＤ素子の発光効率が温度上昇により低下することなく、比較的高い発光効率に維持され得ることにてる。
さらに、各ＬＥＤランプユニットに関する対応する冷却管の冷却能力が、互いに同じに、あるいは各ＬＥＤランプユニットに対する投入電力に応じて、あるいは各ＬＥＤランプユニットが同じ温度になるように、互いに調整されることによって、各ＬＥＤランプユニットの個々のＬＥＤ素子の発光効率が互いに均一化され、輝度ムラの発生が抑制され得ることになる。

以下、この発明の好適な実施形態を図１から図４を参照しながら、詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

［実施例１］
図１は、本発明によるＬＥＤランプの一実施形態の構成を示している。
図１において、ＬＥＤランプ１０は、自動車用のＬＥＤヘッドランプであって、前面が開放した樹脂製の筐体１１と、この筐体１１内に設けられた複数個（図示の場合、二個）のＬＥＤラップユニット１２と、上記筐体１１の前面を覆うように筐体１１に取り付けられた透光性樹脂材料から成る前面レンズ１３と、冷却システム２０と、から構成されている。

各ＬＥＤランプユニット１２は、それぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を含んでおり、前方に向かって光を出射するように、ランプユニット支持体１４により筐体１１の内側に支持されている。
ここで、各ＬＥＤランプユニット１２は、例えば、ＬＥＤ素子１２ａと、リフレクタ１２ｂと、投影レンズ１２ｃと、シャッタ１２ｄから構成されており、ＬＥＤ素子１２ａから出射した光をリフレクタ１２ｂにより集束させ、投影レンズ１２ｃにより前方に向かって照射すると共に、シャッタ１２ｄによりカットオフラインを形成するようになっている。

以上の構成は、図５に示した従来のＬＥＤランプ１と同様の構成であるが、本発明実施形態によるＬＥＤランプ１０においては、さらに各ＬＥＤランプユニット１２を冷却するための冷却システム２０を備えている点で異なる構成になっている。
上記冷却システム２０は、冷却部としての複数個の冷却ステージ２１と、放熱部２２と、複数個の冷却管２３と、から構成されている。

上記各冷却ステージ２１は、それぞれ上記ランプユニット支持体１４に固定されていると共に、対応するＬＥＤランプユニット１２がそれぞれ熱的に接続されている。
さらに、上記各冷却ステージ２１は、内部に後述する冷却管２３からの冷却水のための流路（図示せず）を備えている。
この流路は、好ましくは上記冷却ステージ２１内にてできるだけ大きな表面積を備えるように形成されている。

上記放熱部２２は、上記筐体１１の外側に配置されており、図示しない適宜の放熱手段を備えている。
例えば、上記放熱部２２が自然空冷される場合には、上記放熱手段は、空気流により放熱を行なう放熱フィンにより構成される。
また、上記放熱部２２が強制空冷される場合には、上記放熱手段は、さらに空冷ファン２２ａ（図２参照）等を備えている。

上記冷却管２３は、上記放熱部２２から各冷却ステージ２１に、そして再び放熱部２２に冷却水等の冷媒を循環させるように、上記放熱部２２から筐体１１を貫通して各冷却ステージ２１まで引き回されている。
その際、上記冷却管２３は、途中で分岐されて、各冷却ステージ２１に導かれると共に、各冷却ステージ２１から途中で結合されて、放熱部２２に戻るように構成されている。

ここで、上記冷却システム２０は、具体的には、図２にて図式的に示すように、上記冷却管２３の途中に設けられた循環ポンプ２４により、冷却管２３を介して放熱部２２から各冷却ステージ２１に冷却水等の冷媒を循環されるようになっていると共に、冷媒の補充のためのリザーバタンク２５を備えている。

さらに、上記冷却管２３は、各ＬＥＤランプユニット１２が同じ電力で駆動される場合には、その冷媒の流量が等分して分岐され、各冷却ステージ２１に同じ流量で冷媒を供給するようになっている。
その際、分岐された各冷却管２３は、それぞれ対応する冷却ステージ２１に関して、冷却ステージ２１内を含めて、その流路の内径，形状及び長さが互いに同じになるように形成されており、均一の冷却能力を備えるようになっている。

また、各ＬＥＤランプユニット１２が異なる電力で駆動される場合には、上記冷却管２３は、各ＬＥＤランプユニット１２の電力に応じて、対応する冷却ステージ２１に対する流量比を設定し、この流量比で分岐され、各冷却ステージ２１に冷媒を供給するようになっている。

このようにして、上記冷却管２３は、各冷却ステージ２１そして対応するＬＥＤランプユニット１２が同じ温度になるように選定された流量比で分岐され、それぞれ冷却ステージ２１に導かれるようになっている。
即ち、図３に示すように、電力Ａ，Ｂ（Ｗ）で駆動されるＬＥＤランプユニット１２に対して、対応する冷却ステージ２１に流量比ａ：ｂで、例えば流量ａ，ｂ（ｍｌ／ｓ）で、循環ポンプ２４から冷媒を流量ａ＋ｂ（ｍｌ／ｓ）で供給することにより、各冷却ステージ２１を同じ温度に冷却することができる。

本発明実施形態によるＬＥＤランプ１０は、以上のように構成されており、各ＬＥＤランプユニット１２に対して外部から給電することにより、各ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子が駆動され、発光する。
そして、各ＬＥＤランプユニット１２から出射した光が、上記前面レンズ１３を介して前方に向かって照射される。

この場合、各ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子で発生した熱は、それぞれ対応する冷却ステージ２１に伝達される。
さらに、熱は、冷却ステージ２１内を流れる冷媒により、冷却管２３を介して放熱部２２に移動する。
これにより、熱は、上記放熱部２２にて自然空冷または強制空冷によって外部に排出されることになる。

このようにして、個々のＬＥＤ素子で発生した熱は、各ＬＥＤランプユニット１２，冷却ステージ２１から冷却管２３を流れる冷媒により、放熱部２２に移動され、外部に排出されることになる。
その際、各冷却ステージ２１に対してそれぞれ所定の流量比で分岐された冷媒が流れることにより、各冷却ステージ２１そして各ＬＥＤランプユニット１２が同じ温度まで冷却されることになる。
従って、各ＬＥＤランプユニット１２の個々のＬＥＤ素子がほぼ同じ温度に維持されることになるので、各ＬＥＤ素子の発光効率がほぼ一定となり、ＬＥＤランプ１０全体として、輝度ムラが抑制され得ることになる。

上述した実施形態によるＬＥＤランプ１０の冷却効果を確認するため、以下のように、実験を行なった。
即ち、冷却システム２０として、例えばＴｈｅｒｍａｌｔａｋｅ社製の水冷キットＰ／Ｎ：Ａ１６０４を使用して、全体の流量が９ｍｌ／ｓとなるように循環ポンプ２４を駆動制御して、冷却ステージ２１をセラミックヒータで加熱して、電力投入から２０分後の冷却ステージ２１の温度を測定して、冷却能力の実験を行なった。

その結果、上記冷却ステージ２１の温度は、図４に示すように、ＬＥＤランプユニット１２に供給される電力４２Ｗ，５７Ｗ，７２Ｗに対して、それぞれ図示のように、３９．２℃，４３．５℃及び４７．８℃であった。
続いて、上記流量を６ｍｌ／ｓ，３ｍｌ／ｓに分岐して、それぞれ同様の条件で冷却ステージ２１を冷却したところ、上記冷却ステージ２１の温度は、図３に示すように、電力４２Ｗ，５７Ｗ，７２Ｗに対して、流量６ｍｌ／ｓの場合、それぞれ４０．５℃，４５．２℃，５０．１℃となり、また流量３ｍｌ／ｓの場合、それぞれ４３．０℃，４８．７℃，５４．３℃であった。

このようにして、各冷却ステージ２１に対する流量比を前もって適宜に設定しておくことにより、従来のような温度センサ及び制御回路を使用することなく、簡単な構成によって、各冷却ステージ２１の冷却温度を互いに同じ温度に設定することが可能である。

上述した実施形態においては、二つのＬＥＤランプユニット１２、そしてこれに対応して二つの冷却ステージ２１が設けられているが、これに限らず、三つ以上のＬＥＤランプユニット１２を備えたＬＥＤランプ１０に本発明を適用し得ることは明らかである。
この場合、各ＬＥＤランプユニット１２に対応してそれぞれ冷却ステージ２１が設けられると共に、冷却管２３が各冷却ステージ２１に対して分岐して導かれるように構成される。

本発明によるＬＥＤランプ１０は、自動車用ＬＥＤヘッドランプとして構成されているが、これに限らず、補助前照灯等を含む他の種類の車両用ＬＥＤランプや、さらには照明用等の各種ＬＥＤランプに本発明を適用することが可能である。

このようにして、本発明によれば、複数個のＬＥＤランプユニットを含む場合でも、簡単な構成により、各ＬＥＤランプユニットを確実に冷却し、好ましくは各ＬＥＤランプユニットを均一の温度に保持し得るようにした、ＬＥＤランプが提供され得ることになる。

本発明によるＬＥＤランプの一実施形態の構成を示す概略断面図である。 図１のＬＥＤランプにおける冷却システムの構成例を示すブロック図である。 図１のＬＥＤランプにおける冷却管の分岐を説明する図である。 図１のＬＥＤランプに対応する実験例によるＬＥＤランプユニットへの供給電力，冷媒流量による冷却ステージの温度を示す図である。 従来のＬＥＤランプの一例の構成を示す概略断面図である。 一般的なＬＥＤ素子の発光光束と温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ ＬＥＤランプ
１１ 筐体
１２ ＬＥＤランプユニット
１３ 前面レンズ
１４ ランプユニット支持体
２０ 冷却システム
２１ 冷却ステージ（冷却部）
２２ 放熱部
２３ 冷却管
２４ 循環ポンプ
２５ リザーバタンク

Claims (9)

1. 前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように上下にずれて配置されたそれぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を有する複数個のＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、を含んでいるＬＥＤランプにおいて、
   上記各ＬＥＤランプユニットがそれぞれ熱的に接続された複数個の冷却部と、
   上記筐体の外部に配置され且つ外部に熱を放出する放熱部と、
   上記各冷却部の熱をそれぞれ上記放熱部に対して伝達する水冷式の冷却管の流路と、を備える水冷式の冷却システムを有しており、
   上記冷却管の流路の内径、形状及び長さの少なくともいずれか一つが、上記各冷却部が接続する上記各ＬＥＤランプユニットの電力に対応した流量となるように設定されることを特徴とする、ＬＥＤランプ。
2. 前方が開放した筐体と、この筐体内で前方に向かって光を照射するように上下にずれて配置されたそれぞれ少なくとも一つのＬＥＤ素子を有する複数個のＬＥＤランプユニットと、上記筐体の開放した前面を閉じる透光性材料から成る前面レンズと、を含んでいる車両用のＬＥＤランプにおいて、
   上記各ＬＥＤランプユニットがそれぞれ熱的に接続された複数個の冷却部と、
   上記筐体の外部に配置され且つ外部に熱を放出する放熱部と、
   上記各冷却部の熱をそれぞれ上記放熱部に対して伝達する水冷式の冷却管の流路と、を備える水冷式の冷却システムを有しており、
   上記冷却管の流路の内径、形状及び長さの少なくともいずれか一つが、上記各冷却部が接続する上記各ＬＥＤランプユニットの電力に対応した流量となるように設定されることを特徴とする、車両用のＬＥＤランプ。
3. 上記放熱部が、自然空冷により放熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤランプ。
4. 上記放熱部が、空冷ファン等を使用した強制空冷により放熱されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＬＥＤランプ。
5. 上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、互いに同じになるように調整されることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
6. 上記各冷却部内にて、上記冷却管ができるだけ大きな表面積を有していることを特徴とする、請求項１から５の何れかに記載のＬＥＤランプ。
7. 上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対する投入電力に応じて調整されることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載のＬＥＤランプ。
8. 上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、調整されることを特徴とする、請求項１から６の何れかに記載のＬＥＤランプ。
9. 上記各ＬＥＤランプユニットに関する冷却能力が、当該ＬＥＤランプユニットに対応する冷却部が互いに同じ温度になるように、一つの冷却管が互いに流量分岐されて各冷却部に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載のＬＥＤランプ。

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