JP6798137B2 - 光源ユニット - Google Patents

Description

本発明は、光源ユニットに関する。

発光素子を光源に備えた光源ユニットにおいて、発光素子を冷却する各種の技術が知られている。例えば、冷却水によって冷却される冷却ユニットを光源ユニットの背面に設ける技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また例えば、基板の表面側を冷却するために、発光素子の光出射面を通る流路が設けられた技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１４−７２００４号公報 国際公開２０１０／１５０３６６号パンフレット

しかしながら、特許文献２の技術では、発光素子を冷却できるものの流路の構成が複雑であり、光源ユニットの高コスト化を招く、という問題がある。
そこで本発明は、より簡単な構成で発光素子を冷却できる光源ユニットを提供することを目的とする。

本発明は、発光素子と、前記発光素子を覆うレンズと、前記発光素子が実装された基板と、を備え、前記レンズには、前記基板上の発光素子が収まる凹部が形成され、液体の冷媒が流れる液冷媒流路が前記凹部と前記レンズの出射面との間に設けられており、前記液冷媒流路における前記レンズの出射面側の面及び前記発光素子側の面の双方が平面に形成されていることを特徴とする光源ユニットである。
本発明は、発光素子と、前記発光素子を覆うレンズと、前記発光素子が実装された基板と、を備え、前記レンズには、前記発光素子の光軸を外れた箇所に、液体の冷媒が流れる複数の液冷媒流路が設けられ、前記基板には、前記発光素子を収める凹部が設けられている、ことを特徴とする光源ユニットである。

また本発明は、上記光源ユニットにおいて、前記発光素子が収められる凹部を有し、前記凹部と前記発光素子の間には、熱伝導性材が充填されている、ことを特徴とする。

また本発明は、上記光源ユニットにおいて、前記レンズは、前記基板の表面に面接触する接触面を有する、ことを特徴とする。

また本発明は、上記光源ユニットにおいて、前記基板の裏面の側を冷却する冷却ユニットを備える、ことを特徴とする。

本発明では、液体の冷媒が流れる液冷媒流路がレンズに設けられているので、簡単な構成でありながらも効率良く発光素子を冷却できる。

本発明の実施形態に係る光源ユニットの斜視図である。 光源ユニットの構成を示す図であり、（Ａ）は光源ユニットの平面図、（Ｂ）は光源ユニットの正面図、（Ｃ）は光源ユニットの底面図、（Ｄ）は光源ユニットの右側面図、（Ｅ）は光源ユニットの左側面図である。 図２（Ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面線で切った断面をみた断面視図である。 図２（Ａ）のＩＶ−ＩＶ断面線で切った断面をみた断面視図である。 光源ユニットの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。 比較構成に係る光源ユニットの温度分布のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の変形例に係る光源ユニットの構成を示す断面視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る光源ユニット１の斜視図である。図２は光源ユニット１の構成を示す図であり、図２（Ａ）は光源ユニット１の平面図、図２（Ｂ）は光源ユニット１の正面図、図２（Ｃ）は光源ユニット１の底面図、図２（Ｄ）は光源ユニット１の右側面図、図２（Ｅ）は光源ユニット１の左側面図である。また図３は図２（Ｂ）のＩＩＩ−ＩＩＩ断面線で切った断面をみた断面視図である。また図４は図２（Ａ）のＩＶ−ＩＶ断面線で切った断面をみた断面視図である。

光源ユニット１は、各種の照明器具や照明装置に光源として内蔵されるユニットであり、ＬＥＤ２（図３、図４）と、基板４と、レンズ体６と、背面冷却ユニット８と、配管部１０と、を備えている。
ＬＥＤ２は、発光素子の一態様である。ＬＥＤ２には、光源ユニット１の仕様等を満たす特性を有した素子が用いられ、この光源ユニット１では紫外線を放射する素子がＬＥＤ２に用いられている。基板４は、その表面４Ａ（図３、図４）にＬＥＤ２が実装された実装基板である。基板４は一方向に延びた平面視矩形状であり、基板４が延びる方向（長手方向）に複数のＬＥＤ２が適宜の間隔で実装されている。なお、基板４の長手方向に直交する短手方向にもＬＥＤ２が実装されてもよい。

レンズ体６は、ＬＥＤ２の光を制御する透過型の光学素子であり、ＬＥＤ２の光を透過する材料（例えば樹脂や石英ガラス）によって形成されており、ＬＥＤ２の光を制御するレンズ部１２と、基板４に固定される固定片１４とを一体に備える。
レンズ部１２は、基板４の表面４Ａに配列された各ＬＥＤ２を覆う大きさを有しつつ、所望の配光に応じた形状を有する。本実施形態では、レンズ部１２は、列状に配列されたＬＥＤ２に沿って延び、円筒面状の出射面１２Ａを有した、いわゆるシリンドリカルレンズであり、ＬＥＤ２の各々の光を所定の焦点に集光し、細いライン状の光を形成する。
固定片１４は、図３に示すように、基板４の表面４Ａに面接触する接触面１４Ａを有した部材であり、レンズ部１２の縁部の両側に一体に設けられている。固定片１４がネジ１６によって基板４にネジ止めされることで、レンズ体６が基板４に固定される。

さらに、このレンズ体６がＬＥＤ２の熱を回収する機能を備えている。
具体的には、図３、及び図４に示すように、レンズ体６にはレンズ内液冷媒流路２０が形成されており、このレンズ内液冷媒流路２０に液体の冷媒（以下、「液冷媒」という）が流れることで、ＬＥＤ２の熱が液冷媒によって回収される。
本実施形態では、レンズ内液冷媒流路２０は、図３に示すようにＬＥＤ２の発光面２Ａと対向する位置（すなわち光軸Ｋと交差する位置）に設けられ、かつ、図４に示すようにＬＥＤ２の各々を経由するように延びた流路で形成されている。ＬＥＤ２の中で発熱が比較的大きな発光面２Ａに対向する位置にレンズ内液冷媒流路２０が設けられるので、ＬＥＤ２の発熱を効率良く液冷媒で回収できる。また、本実施形態のレンズ体６のように、レンズ体６（レンズ部１２）が光軸Ｋの方向に膨出する形状を成している場合には、厚みが大きな部位にレンズ内液冷媒流路２０が位置するので、レンズ内液冷媒流路２０を形成するための加工が容易になる。

レンズ体６の長手方向の両端には、図４に示すように、入口管体２０Ａ、及び出口管体２０Ｂが形成されている。これら入口管体２０Ａ、及び出口管体２０Ｂは、レンズ内液冷媒流路２０への液冷媒の入口、及び出口となる部位であり、レンズ体６の外側に突出して延びる管状の部材によって形成されている。
入口管体２０Ａには、液冷媒を循環させるチラー５０が配管を介して接続され、チラー５０によって液冷媒がレンズ内液冷媒流路２０を流れることにより、ＬＥＤ２の各々の熱が液冷媒によって回収され、ＬＥＤ２が冷却されることとなる。チラー５０は、光源ユニット１を内蔵する照射装置に設けられている。

また、レンズ体６は、ＬＥＤ２の熱を効率良く回収するために、図３に示すように、レンズ部１２の入射面側に発光素子収容凹部２２が形成されている。発光素子収容凹部２２は、ＬＥＤ２が入り込む部位であり、本実施形態ではＬＥＤ２の配列に沿って延び、ＬＥＤ２の各々が入り込む１条の凹みによって形成されている。発光素子収容凹部２２とＬＥＤ２の間の隙間には、光透過性、及び熱伝導性を有する熱伝導性材２４（図４）が充填されており、この熱伝導性材２４を介してＬＥＤ２とレンズ体６とが熱的に接続される。これにより、ＬＥＤ２の各々の発熱がレンズ体６に効率良く伝えられ、レンズ内液冷媒流路２０を流れる液冷媒によって効率良く熱が回収されることとなる。

またレンズ体６において、図３に示すように、固定片１４の接触面１４Ａは、発光素子収容凹部２２の開口端２２Ａに同一平面で繋がることで、レンズ体６の入射面の側の面の大部分が、発光素子収容凹部２２を除き、基板４の表面４Ａに面接触する。これにより、レンズ体６と基板４の表面４Ａとが比較的大きな面積で面接触し、ＬＥＤ２から基板４の表面４Ａに伝わった熱が効率良くレンズ体６の側に伝えられ、レンズ内液冷媒流路２０を流れる液冷媒によって効率良く回収される。

なお、このレンズ体６において、ＬＥＤ２を収める発光素子収容凹部２２は、ＬＥＤ２の各々ごとに個別に設けられていてもよい。

ここで、光源ユニット１では、レンズ内液冷媒流路２０の光学特性（透過特性や屈折率分布など）を一定に維持するために、液冷媒には、少なくともレンズ体６から回収する熱によって蒸発（気化）せずに液体の状態を維持する特性の冷媒（例えば水）が用いられる。また、チラー５０は、レンズ内液冷媒流路２０の内部が液冷媒で充満し、空気層を生じさせない流量、流速で液冷媒を供給する。

また、レンズ内液冷媒流路２０、及び入口管体２０Ａ、及び出口管体２０Ｂの断面形状、及び断面積は、所望の熱回収能力（冷却性能）、及び、レンズ内液冷媒流路２０における光学特性に応じて適宜に決定される。例えば、本実施形態のレンズ内液冷媒流路２０の断面形状は略矩形（図３）であり、入口管体２０Ａ、及び出口管体２０Ｂの断面形状は略円形である。さらにレンズ内液冷媒流路２０の断面積よりも入口管体２０Ａ、及び出口管体２０Ｂの断面積は小さく形成されている。

さらに、この光源ユニット１は、より高い冷却性能を得るために基板４の裏面４Ｂ（図３、図４）を冷却する上記背面冷却ユニット８を備えている。
背面冷却ユニット８は、内部に液冷媒が流通する金属製のユニットであり、図１〜図４に示すように、プレート３０と、フレーム３２とを備えている。プレート３０は、基板４の裏面４Ｂに取り付けられ、当該裏面４Ｂの全面に面接触する板状の部材である。フレーム３２は、図３、図４に示すように、流路用溝３４が形成された四角柱状の部材である。
流路用溝３４はプレート３０によって閉塞され、これにより、背面冷却ユニット８の内部に、ＬＥＤ２の配列方向に延び背面側液冷媒流路３６が形成される。背面側液冷媒流路３６の両端のそれぞれには、金属製の蓋体３８が固定されている。蓋体３８には貫通孔３８Ａが開口する。これら貫通孔３８Ａを通じて背面側液冷媒流路３６に液冷媒が導入、及び導出される。
そして、背面側液冷媒流路３６に液冷媒が流れることで、基板４の裏面４Ｂの側の熱が液冷媒によって回収され冷却される。

配管部１０は、レンズ体６のレンズ内液冷媒流路２０と、背面冷却ユニット８の背面側液冷媒流路３６と、を液冷媒が流通可能に接続する部材であり、継手部材４４と、チューブ４６と、を備える。
継手部材４４は、背面冷却ユニット８の片方の蓋体３８の貫通孔３８Ａに連結される。また、チューブ４６は、レンズ体６のレンズ内液冷媒流路２０の出口管体２０Ｂと、継手部材４４を接続する配管部材である。一方、背面冷却ユニット８の他方の蓋体３８の貫通孔３８Ａは、チラー５０に接続される。これにより、チラー５０からレンズ内液冷媒流路２０に導入された液冷媒は、レンズ内液冷媒流路２０の中を流れてＬＥＤ２の熱を回収する。そして液冷媒は、レンズ内液冷媒流路２０から配管部１０を通じて背面冷却ユニット８に導かれ、背面側液冷媒流路３６の中を流れて基板４の裏面４Ｂから熱を回収し、チラー５０に導出される。

なお、複数の光源ユニット１が直列に配置される場合には、各光源ユニット１の入口管体２０Ａと出口管体２０Ｂとがチューブ４６で接続され、各光源ユニット１のレンズ内液冷媒流路２０が直列に接続される。同様に、各光源ユニット１の蓋体３８の貫通孔３８Ａの間が継手部材４４で接続され、各光源ユニット１の背面側液冷媒流路３６が直接に接続される。

図５は本実施形態の光源ユニット１の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図６は比較構成に係る光源ユニット１００の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。比較構成の光源ユニット１００は、光源ユニット１のレンズ体６に代えて、レンズ内液冷媒流路２０が設けられていないレンズ体１０６を備える点において、光源ユニット１と構成を異にし、その他の構成は同一である。

このシミュレーションでは、液冷媒には水が用いられ、その水量は１０リットル／ｍｉｎに固定されている。また、ＬＥＤ２の熱量は１００ワットであり、周囲温度等の初期温度は２５℃に設定されている。レンズ体６、基板４、及び背面冷却ユニット８の材質は、それぞれ石英ガラス、アルミニウム、及び銅である。

図５、及び図６を比較すると、光源ユニット１では、レンズ体６の出射面１２Ａの頂点部に位置する測定点Ｐ１の上昇温度（初期温度２５℃からの上昇温度）が２５．３℃であるのに対し、比較構成に係る光源ユニット１００では、同一の測定点Ｐ１での上昇温度が３０．８℃に達した。したがって、光源ユニット１は光源ユニット１００に対しレンズ体６の温度上昇を９５％程改善できることが分かる。

また、ＬＥＤ２の発光面に設定された測定点Ｐ２の上昇温度を比較すると、光源ユニット１では上昇温度が３１．６℃であるのに対し、比較構成に係る光源ユニット１００では上昇温度が３３．４℃であった。これにより、本実施形態の光源ユニット１では測定点Ｐ２の温度上昇に抑えられており、光源ユニット１は、光源ユニット１００に対しのＬＥＤ２の温度上昇を２１％程改善できることが分かる。

以上説明したように、本実施形態の光源ユニット１では、液冷媒が流れるレンズ内液冷媒流路２０がレンズ体６に設けられているので、簡単な構成でありながらも効率良くＬＥＤ２を冷却できる。

また本実施形態の光源ユニット１では、レンズ体６は、ＬＥＤ２が収められる発光素子収容凹部２２を有し、発光素子収容凹部２２とＬＥＤ２の間には、熱伝導性材２４が充填されている。これにより、ＬＥＤ２からレンズ体６への熱伝導が良好となり、レンズ内液冷媒流路２０を流れる液冷媒によって、より効率良くＬＥＤ２の熱を回収できる。

また本実施形態の光源ユニット１では、レンズ体６は、基板４の表面４Ａに面接触する接触面１４Ａを有する。これにより、ＬＥＤ２から基板４の表面４Ａに伝わった熱を、接触面１４Ａを通じてレンズ体６に効率良く伝えさせ、レンズ内液冷媒流路２０を流れる液冷媒によって回収し、当該基板４の表面４Ａの温度上昇も抑えられる。

また本実施形態の光源ユニット１では、レンズ内液冷媒流路２０は、ＬＥＤ２の発光面２Ａと対向する位置に設けられている。これにより、ＬＥＤ２の中で発熱が比較的大きな発光面２Ａに対向する位置にレンズ内液冷媒流路２０が設けられるので、ＬＥＤ２の発熱を効率良く液冷媒で回収できる。

また本実施形態の光源ユニット１では、基板４の裏面４Ｂの側を冷却する背面冷却ユニット８を備えるので、より高い冷却性能が得られる。

なお、上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を例示したものであって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に変形、及び応用が可能である。

上述した実施形態では、ＬＥＤ２の発光面２Ａと対向する位置にレンズ内液冷媒流路２０を設けた構成を例示した。しかしながら、レンズ内液冷媒流路２０の配置位置、及び数は、レンズ体６の中であれば、レンズ体６の形状や冷却性能に応じて適宜に設定できる。

上述した実施形態では、レンズ内液冷媒流路２０から背面側液冷媒流路３６に向かって液冷媒が流れる構成を例示した。しかしながら、液冷媒の流れの方向は、冷却性能に応じて適宜に変更されるものであり、背面側液冷媒流路３６からレンズ内液冷媒流路２０に向かって流れてもよい。また、チラー５０からレンズ内液冷媒流路２０、及び背面側液冷媒流路３６のそれぞれに並列に液冷媒を流してもよい。

上述した実施形態では、レンズ体６のレンズ内液冷媒流路２０と背面冷却ユニット８の背面側液冷媒流路３６との間の液冷媒の流路が、レンズ体６に突設した出口管体２０Ｂと、背面冷却ユニット８に設けた継手部材４４とをチューブ４６で接続して構成されている。
しかしながら、レンズ内液冷媒流路２０の出口管体２０Ｂの側の端部、及び、背面側液冷媒流路３６の一端側の各々を塞ぎ、レンズ内液冷媒流路２０から基板４を貫通して背面側液冷媒流路３６に連通する流路によって、レンズ内液冷媒流路２０と背面側液冷媒流路３６とを接続してもよい。

上述した実施形態では、発光素子収容凹部２２がレンズ体６に設けられる構成を例示した。しかしながら、図７に示すように、基板２０４の側に発光素子収容凹部２２２を設けた光源ユニット２００を構成してもよい。この光源ユニット２００のレンズ体２０６にあっては、レンズ内液冷媒流路２２０が、レンズ部１２のうち光軸Ｋ（発光面２Ａの中心軸）から外れた複数の箇所に設けられている。

本発明に係る光源ユニットは、屋外／屋内における照明や、各種の光処理（例えば、光硬化処理や光配向処理、光殺菌処理など）のための照射装置といった任意の装置或いは器具の光源に広く用いることができる。

１、２００ 光源ユニット
２ ＬＥＤ（発光素子）
４、２０４ 基板
４Ａ 表面
４Ｂ 裏面
６、２０６ レンズ体（レンズ）
８ 背面冷却ユニット
１０ 配管部
１２ レンズ部
１４ 固定片
１４Ａ 接触面
２０、２２０ レンズ内液冷媒流路（液冷媒流路）
２２、２２２ 発光素子収容凹部（凹部）
２４ 熱伝導性材
３６ 背面側液冷媒流路
５０ チラー
Ｋ 光軸

Claims (5)

1. 発光素子と、
   前記発光素子を覆うレンズと、
   前記発光素子が実装された基板と、を備え、
   前記レンズには、
   前記基板上の発光素子が収まる凹部が形成され、液体の冷媒が流れる液冷媒流路が前記凹部と前記レンズの出射面との間に設けられており、
   前記液冷媒流路における前記レンズの出射面側の面及び前記発光素子側の面の双方が平面に形成されている、
   ことを特徴とする光源ユニット。
2. 発光素子と、
   前記発光素子を覆うレンズと、
   前記発光素子が実装された基板と、を備え、
   前記レンズには、前記発光素子の光軸を外れた箇所に、液体の冷媒が流れる複数の液冷媒流路が設けられ、
   前記基板には、前記発光素子を収める凹部が設けられている、
   ことを特徴とする光源ユニット。
3. 前記凹部と前記発光素子の間には、熱伝導性材が充填されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の光源ユニット。
4. 前記レンズは、前記基板の表面に面接触する接触面を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光源ユニット。
5. 前記基板の裏面の側を冷却する冷却ユニットを備える、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源ユニット。