JP6811600B2 - 車両用灯具の放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、ダクトに内設された放熱器の放熱をダクト内を流れる空気によって促進することによって光源を冷却する車両用灯具の放熱構造に関するものである。

近年、車両の前部左右に配置されるヘッドランプ等の車両用灯具の光源として、発光効率が高くて高輝度、省電力等の利点を有するＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体発光素子が使用されつつある。この種の半導体発光素子は、前記利点を有する反面、発熱によって高温になり易く、その温度が高くなると発光効率と寿命が低下するという問題を有している。

そこで、光源として半導体発光素子を使用する車両用灯具においては、半導体発光素子を適当な手段によって冷却する必要がある。このため、例えば、特許文献１には、図９に示す放熱構造が提案されている。

即ち、図９は特許文献１において提案された車両用灯具の放熱構造を示す縦断面図であり、図示の放熱構造においては、ヘッドランプ等の車両用灯具１０１のハウジング１０２に沿ってダクト１０３を配置するとともに、光源であるＬＥＤ１０４が発生する熱を放熱するためのヒートシンク等の熱交換部１０５を前記ダクト１０３内に配置する構成が採用されている。

斯かる放熱構造において、車両用灯具１０１の点灯時にＬＥＤ１０４が発生する熱は、車両の走行によって発生する走行風がダクト１０３の吸気口１０３ａから流入して排気口１０３ｂから排出される過程で、熱交換部１０５における走行風との熱交換によって放熱されるため、ＬＥＤ１０４が冷却されてその発光効率と寿命の低下が防がれる。

しかしながら、上記放熱構造にあっては、車両が停止しているためにダクト１０３内を走行風が流れないときには、熱交換部１０５が熱交換機能を発揮することができず、エンジンルーム１０６内の熱風が排気口１０３ｂからダクト１０３内に逆流して熱交換部１０５を加熱するため、ＬＥＤ１０４を効果的に冷却することができないという問題がある。

そこで、特許文献２には、図１０に示す放熱構造が提案されている。

即ち、図１０は特許文献２において提案された車両用灯具の放熱構造を示す縦断面図であり、図示の放熱構造においては、ヘッドランプ等の車両用灯具２０１のハウジング２０２に沿ってダクト２０３が配置されるとともに、光源である上下２つのＬＥＤ２０４が発生する熱を放熱するためのヒートシンク２０５が前記ダクト２０３内に配置され、各ＬＥＤ２０４とヒートシンク２０５とが熱伝導部２０６によって接続されている。又、ダクト２０３には吸気口２０３ａと排気口２０３ｂの他、強制排気口２０３ｃが開口しており、この強制排気口２０３ｃの近傍には、排気手段である排気ファン２０７が配置されている。

更に、前記ダクト２０３の排気口２０３ｂには、該排気口２０３ｂを開閉する開閉部２０８が設けられており、この開閉部２０８は、シリンダ２０９のロッド２０９ａに連結されている。そして、シリンダ２０９と排気ファン２０７には制御部２１０が接続されており、この制御部２１０には、当該車両用灯具２０１を搭載した車両の速度を検出する車速センサ２１１が接続されている。

斯かる放熱構造においては、車速センサ２１１によって検出された車速に基づいて、ダクト２０３内を流れる空気の流速を算出し、この流速がファン平均流速よりも遅い場合には、制御部２１０がシリンダ２０９を駆動して開閉部２０８を駆動して図示のようにダクト２０３の排気口２０３ｂを閉じるとともに、排気ファン２０７を駆動してダクト２０３の吸気口２０３ａから空気を取り込んで強制排気口２０３ｃから空気を強制的に排出することによって、ダクト２０３内に空気の流れを誘起するようにしている。

従って、車速が遅い場合又は車両が停止している場合であっても、ダクト２０３内に空気の流れが発生するため、ヒートシンク２０５の放熱が促進され、このヒートシンク２０５に熱伝導部２０６を介して接続された各ＬＥＤ２０４が冷却されてその温度上昇が抑えられる。

特開２００８−２２６８４３号公報 特開２００６−２８６３９５号公報

しかしながら、特許文献２において提案された図１０に示す車両用灯具の放熱構造においては、エンジンルームの過酷な環境下に設置された排気ファン２０７には、高い耐熱性、防水性、防塵性、耐振性等が求められる他、車速（ダクト２０３内の空気の流速）に応じて開閉部２０８と排気ファン２０７の駆動を制御するための制御系が複雑化するため、大幅なコストアップを招くという問題がある。

又、排気ファン２０７が故障した場合には、車両の低速走行時及び停止時の冷却性能が不足し、ＬＥＤ２０４の温度上昇を招くという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、車両の停止時においても簡単な構成によって所要の放熱性能を確保して光源の温度上昇を抑えることができる車両用灯具の放熱構造を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、光源と、該光源で発生する熱を放熱する放熱器を備える車両用灯具の放熱構造であって、一部が上下方向に延びる鉛直部を備えるダクトの前記鉛直部に前記放熱器を内設し、前記ダクトの一端に開口する吸気口から流入して該ダクトの他端に開口する排気口から排出される空気によって前記放熱器の放熱を促進して前記光源を冷却する車両用灯具の放熱構造において、前記ダクトの前記放熱器が内設された箇所の通風面積Ｓ１と、同ダクトの前記吸気口の開口面積Ｓ２及び前記排気口の開口面積Ｓ３を、
Ｓ２≧（０．４〜１．２５）Ｓ１≧Ｓ３
の関係が成立するよう設定し、
前記ダクトの排気口を車両のエンジンルームのフロントグリルとコンデンサ及びラジエータとの間に開口させたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記光源と前記放熱器が熱的に接続していることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、車両の停止時においては、温度の高い放熱器によってダクト内の空気が加熱されると、その加熱された空気の密度が下がるためにダクトの鉛直部を上昇する空気の流れが誘起され、この空気の流れに誘発されて温度の低い外気が吸気口からダクト内に吸引されて排気口から排出されるためにダクト内に空気の流れが発生する。そして、ダクトを流れる空気による自然空冷によって放熱器の放熱が促進されるため、光源の温度上昇が抑えられる。このような効果は、ファン等の機器を別途要することなく簡単な構成によって得られるため、大幅なコストアップや構造の複雑化を招くことがない
ところで、ダクトの放熱器が内設された箇所の通風面積Ｓ１に対するダクトの排気口の開口面積Ｓ３の比率（排気開口率）Ｓ３／Ｓ１を変化させて放熱性能を測定した結果、Ｓ３／Ｓ１＝１．０（Ｓ３＝Ｓ１）であるときに放熱性能が最も高く、Ｓ３／Ｓ１＝１．０から外れるに従って放熱性能が次第に低下することが確認された。そして、実際にはＳ３／Ｓ１＝０．４〜１．２５の範囲で実用上問題のない放熱性能が得られることが明らかとなった。

又、ダクトの吸気口の開口面積Ｓ２に関しては、Ｓ２＝Ｓ１とＳ２＞Ｓ１では、放熱性能は殆ど変化しないことも確認された。従って、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の間に次の大小関係：
Ｓ２≧（０．４〜１．２５）Ｓ１≧Ｓ３
が成立すれば、所期の放熱性能が確保されて光源の温度上昇を効果的に抑えることができる。

また、車両の停止時においても温度が比較的低くて車両前方への熱風の回り込みが殆どないエンジンルーム内のフロントグリルとコンデンサ及びラジエータとの間にダクトの排気口を開口させたため、熱風がダクトの排気口から流入して該ダクト内を逆流することがない。このため、放熱器の放熱性能が熱風によって阻害されることがなく、放熱器の放熱が自然空冷によって促進されて光源の温度上昇が効果的に抑えられる。

車両の半裁正面図である。 本発明に係る車両用灯具の放熱構造を示す斜視図である。 本発明に係る車両用灯具の放熱構造を示す平断面図である。 本発明に係る車両用灯具の放熱構造を示す正面図である。 本発明に係る車両用灯具の放熱構造におけるダクトの模式的断面図である。 本発明に係る車両用灯具の放熱構造における排気開口率と熱抵抗との関係を示す図である。 本発明の別形態に係る車両用灯具の放熱構造におけるダクトの模式的断面図である。 （ａ），（ｂ）は長さの異なる２枚の放熱フィンの間における速度境界層と温度境界層の発達状況をそれぞれ示す図である。 特許文献１において提案された車両用灯具の放熱構造を示す縦断面図である。 特許文献２において提案された車両用灯具の放熱構造を示す縦断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は車両の半裁正面図であり、図示の車両２０の前部左右には、ヘッドランプとして使用される車両用灯具１（図１には左側のもののみ図示）が配置されている。そして、この車両用灯具１の前面の中央部には、不図示のエンジンルーム内に外気（走行風）を取り入れるためのルーバー状のフロントグリル２１が配置されており、その下方にはフロントバンパ２２が車幅方向に水平に配置されている。尚、図１において、２３はエンジンルームの上部を覆うボンネット、２４はフロントガラス、２５は左右の前輪（図１には一方のみ図示）、２６は左右のサイドミラーである。

ここで、図示しないが、車両２０のエンジンルーム内には、エンジンが搭載されており、このエンジンの前方には、前方からエアコンのコンデンサ、ラジエータ、ラジエータファンが順次配置され、これらの前方に前記フロントグリル２１が配置され、左右の前記車両用灯具１が配置されている。

ところで、車両２０の停止時において外気温度が例えば４０℃である場合には、エンジンルーム内の温度は約７０°〜１００℃となる。そして、エンジンの発熱やラジエータファンの駆動によって発生する熱風は、エンジンルームから主に車体底部やタイヤハウス付近を通って車外へと排出される。

次に、本発明に係る車両用灯具１の放熱構造を図２〜図５に基づいて以下に説明する。

図２は本発明に係る車両用灯具の放熱構造を示す斜視図、図３は同放熱構造を示す平断面図、図４は同放熱構造を示す正面図、図５は同放熱構造におけるダクトの模式的断面図である。尚、以下においては、一方（左側）の車両用灯具１の放熱構造について図示及び説明するが、他方（右側）の車両用灯具の放熱構造は同じであるため、これについての図示及び説明は省略する。

ヘッドランプとして使用される車両用灯具１は、図３に示すように、ハウジング２とその前面開口部を覆う透明なアウタレンズ３によって画成された灯室４内に、左右方向に並設された３つのランプモジュール５、光源である３つの半導体発光素子６、エクステンション７等を収容して構成されている。ここで、３つの半導体発光素子６は、ハウジング２の車両内側（図３の右側）に車両前後方向（図３の上下方向）に沿って適当な間隔で配置されており、各半導体発光素子６は、伝送ファイバ８を介して各ランプモジュール５にそれぞれ接続されている。又、各ランプモジュール５は、蛍光体９と配光制御用のレンズ１０を備えている。尚、ヘッドランプとして使用される車両用灯具１が白色光を出射する場合には、各半導体素子６には青色ＬＥＤが使用され、各蛍光体９には黄色蛍光体がそれぞれ使用される。

ところで、図２〜図４に示すように、ハウジング２の車両内側の側壁には、ハウジング２の外部に配置された放熱器としてのヒートシンク１１が組み込まれている。このヒートシンク１１は、図３に示すように、ハウジング２の側壁に組み込まれた平板状のベース１１ａと、該ベース１１ａから車両内側に向かって垂直に立設された複数枚の放熱フィン１１ｂによって構成されている。ここで、複数枚の放熱フィン１１ｂは、図５に示すように、上下方向に長い薄板状の部材であって、これらは車両前後方向（図３の上下方向に沿って適当な間隔で配置されている。尚、ヒートシンク１１は、熱伝導性の高いアルミニウム合金やマグネシウム合金によって構成されている。

ここで、図３に示すように、各半導体発光素子６が実装された計３つの基板１２は、熱伝導性の高い平板状の放熱ベース１３に取り付けられており、放熱ベース１３は、ヒートシンク１１のベース１１ａに密着した状態で取り付けられている。

そして、車両２０のエンジンルーム内には、正面視横Ｕ字状に屈曲するダクト１４が配置されており、このダクト１４は、図４に示すように、略水平な吸気部１４Ａと、ハウジング２の内側壁に沿って垂直に起立する放熱部１４Ｂと、該放熱部１４Ｂから車両内側に向かって斜め上方に延びる排気部１４Ｃとで構成されている。

ここで、ダクト１４の吸気部１４Ａの一端は、図１に示すように、吸気口１４ａとして車両２０の前面（フロントグリル２１の一部）に開口しており、排気部１４Ｃの一端（上端）は、排気口１４ｂとして不図示のエンジンルーム内のフロントグリルとコンデンサ及びラジエータとの間に開口している。そして、ダクト１４の垂直に起立する放熱部１４Ｂに前記ヒートシンク１１が内設されている。

而して、本実施の形態では、ヒートシンク１１と放熱ベース１３及びダクト１４によって放熱構造が構成されているが、車両２０の夜間走行等において、車両用灯具１の各半導体発光素子４に電流がそれぞれ供給されると、各半導体発光素子６がそれぞれ発光し、その青色光は、各伝送ファイバ８を経て各ランプモジュール５へとそれぞれ伝送され、黄色の蛍光体９を透過することによって白色光に変換される。そして、白色光は、レンズ１０を通過して配光が制御された後、透明なアウタレンズ３を通過して車両２０の前方へと照射されるため、車両用灯具１がヘッドランプとしての機能を果たす。

そして、上述のように各半導体発光素子６がそれぞれ発光すると、各半導体発光素子６が発熱するが、その熱は、基板１２と放熱ベース１３を経てヒートシンク１１へと伝導し、該ヒートシンク１１の複数枚の放熱フィン１１ｂから放熱される。車両２０の走行時においては、走行風がダクト１４の吸気口１４ａから該ダクト１４内に流入し、又、ラジエータファンの稼動によって発生する負圧に引かれてダクト１４内を排気口１４ｂに向かって空気が流れるが、その過程において、空気がダクト１４の放熱部１４Ｂに内設されたヒートシンク１１との熱交換によってヒートシンク１１の放熱を促進するため、各半導体発光素子６が強制的に冷却されてその温度上昇が抑えられ、各半導体発光素子６の発光効率と寿命の低下が防がれる。

又、車両２０の停止時においては、ダクト１４の放熱部１４Ｂに内設された温度の高いヒートシンク１１の周囲の空気が加熱され、その空気の密度が小さくなるためにダクト１４の放熱部１４Ｂを上昇する空気の流れが誘起され、この空気の流れに誘発されて温度の低い外気が吸気口１４ａからダクト１４内に吸引されて排気口１４ｂから排出されるため、ダクト１４内には車両２０の走行時と同様の空気の流れが発生する。そして、ダクト１４内を流れる空気による自然空冷によってヒートシンク１１の放熱が促進されるため、各半導体発光素子６の温度上昇が抑えられる。

又、車両２０の停止時においてラジエータファンが稼動する場合は、ラジエータファンの稼動によって発生する負圧に引かれてダクト１４内を排気口１４ｂに向かって空気が流れるが、その過程において、空気がダクト１４の放熱部１４Ｂに内設されたヒートシンク１１との熱交換によってヒートシンク１１の放熱が促進される。

そして、本実施の形態では、車両２０の停止時においても温度が比較的低くて車両２０の前方への熱風の回り込みが殆どないエンジンルーム内のフロントグリルとコンデンサ及びラジエータとの間にダクト１４の排気口１４ｂを開口させたため、熱風がダクト１４の排気口１４ｂから流入して該ダクト１４内を逆流することがない。このため、ヒートシンク１１の放熱性能が熱風によって阻害されることがなく、該ヒートシンク１１の放熱が自然空冷によって促進されて各半導体発光素子６の温度上昇が効果的に抑えられる。

而して、以上の効果は、ファン等の機器を別途要することなく簡単な構成によって得られるため、放熱構造において大幅なコストアップや構造の複雑化を招くことがない。

ところで、ダクト１４の放熱部１４Ｂの通風面積（放熱部１４Ｂの断面積から放熱フィン１１ｂの断面積を差し引いた面積）Ｓ１に対するダクト１４の排気口１４ｂの開口面積Ｓ３の比率（排気開口率）Ｓ３／Ｓ１を変化させて放熱性能を測定した結果を図６に示す。ここでは、放熱性能を示す指標としては熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）を用いた。

図６に示すように、放熱性能（熱抵抗Ｒ）は、Ｓ３／Ｓ１＝１．０（Ｓ３＝Ｓ１）、つまり、ダクト１４の放熱部１４Ｂの通風面積Ｓ１と排気口１４ｂの開口面積Ｓ３が等しいときに放熱性能が最も高く、Ｓ３／Ｓ１が１．０から外れるに従って放熱性能が次第に低下することが確認された。Ｓ３／Ｓ１＜１．０では、ダクト１４の排気口１４ｂが絞られるためにダクト１４内を流れる空気量が減少し、ヒートシンク１１の放熱性能が低下する。又、逆にＳ３／Ｓ１＞１．０では、ダクト１４の排気口１４ｂが広かるために排気口１４ｂ付近の空気がダクト１４内に逆流し、ヒートシンク１１の放熱性能が低下する。

一般的に部品やユニットを車両に搭載するときには、これらの部品やユニットの小型化が求められる。このため、ダクト１４の排気口１４ｂのサイズを十分に確保することができず、その開口面積Ｓ３が小さくなる傾向にある。従って、ダクト１４の放熱部１４Ｂの通風面積Ｓ１を基準としたときに排気開口率Ｓ３／Ｓ１を０．４〜１．０に設定することが望ましい。但し、自然空冷のようにダクト１４内での空気の流速が遅い場合であっても、ダクト１４の長さや曲げＲ等による圧力損失によって空気の流速が更に遅くなり、このような場合には外気の逆流現象は発生しないため、排気開口率Ｓ３／Ｓ１を０．４〜１．２５の範囲に設定することができる。

又、ダクト１４の吸気口１４ａの開口面積Ｓ２に関しては、Ｓ２＝Ｓ１とＳ２＞Ｓ１では、放熱性能は殆ど変化しないことも確認された。従って、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の間に次の大小関係：
Ｓ２≧（０．４〜１．２５）Ｓ１≧Ｓ３
が成立すれば、ヒートシンク１１に所期の放熱性能が確保されて各半導体発光素子６の温度上昇を効果的に抑えることができる。

ところで、本実施の形態では、Ｓ１，Ｓ３はそれぞれ吸気口１４ａの開口面積、排気口１４ｂの開口面積としているが、抱くと１４の吸気部１４Ａ及び排気部１４Ｃに吸気口１４ａ及び排気口１４ｂよりも通風面積の小さな箇所がある場合、その最小通風面積をＳ１，Ｓ２とする。又、ダクト１４の放熱部１４Ｂの通風面積も部位によって一定でない場合、放熱部１４Ｂの最小通風面積をＳ２とする。

尚、本実施の形態では、ダクト１４の吸気口１４ａを車両２０の前面（フロントグリル２１の一部）に開口させたが、吸気口１４ａの開口位置は任意であって、車両２０の前面には開口させず、エンジンルーム内の前端下部に前方又は下方に向かって開口させるようにしても良い。

ところで、車両によっては車両用灯具のサイズに制限を受けるが、このような車両用灯具の放熱構造においては、図７に示すように、ダクト１４’の放熱部１４Ｂ’に内設されるヒートシンク１１’の横幅を大きく取ることができず、ヒートシンク１’を縦長に構成する場合がある。

ここで、図５に示すヒートシンク１１の放熱フィン１１ｂの上下方向の長さを図８（ａ）に示すようにｈ１とすると、図７に示すヒートシンク１１’の放熱フィン１１ｂ’の上下方向の長さｈ２（図８（ｂ）参照）はｈ１よりも長くなっている（ｈ２＞ｈ１）。図８（ａ）に示す長さの短い２枚の放熱フィン１１ｂの間と図８（ｂ）に示す長さの長い２枚の放熱フィン１１ｂ’の間を流れる空気によって各放熱フィン１１ｂ，１１ｂ’の先端（下端）からは速度境界層と温度境界層が空気の流れ方向（上方）に沿って発達する。

図８（ａ）に示す長さの短い２枚の放熱フィン１１ｂの間では、熱伝達率の低い温度境界層が十分発達しないために放熱フィン１１ｂの放熱性能が大きく低下することはないが、図８（ｂ）に示す長さの長い２枚の放熱フィン１１ｂ’の間では、温度境界層が発達して互いにオーバーラップする領域が存在するため、放熱フィン１１ｂ’の放熱性能が大きく低下する。このため、図８（ｂ）に示す長さの長い２枚の放熱フィン１１ｂ’の間の間隔を図８（ａ）に示す長さの短い２枚の放熱フィン１１ｂの間の間隔よりも大きく設定し、長さの長い２枚の放熱フィン１１ｂ’の間の通路において温度境界層がオーバーラップしないようにする必要がある。因みに、図５に示す横長のヒートシンク１１には９枚の放熱フィン１１ｂが設けられており、図７に示す縦長のヒートシンク１１’には５枚の放熱フィン１１ｂ’が設けられている。

尚、以上の本実施の形態では、ヒートシンクとして、フィン形状がプレートタイプのものを使用したが、プレートタイプ以外のピンタイプや剣山状、蛇腹状等の任意のフィン形状を有するものを使用することができる。

又、以上の実施の形態では、熱源である半導体発光素子とランプモジュールとが伝送ファイバを介して接続されたものを使用したが、半導体発光素子とランプモジュールとが一体化してヒートパイプ等の熱輸送手段を用いてヒートシンクベースと熱的に接続する構成のものも使用することができる。そして、エーミング調整機構のため、ヒートシンクが一定範囲内を移動できるように該ヒートシンクをゴム製のガスケット等を介してハウジングに接続する構成としても良い。

更に、以上は本発明をヘッドランプとして使用される車両用灯具の放熱構造に対して適用した形態について説明したが、本発明は、車両駆動エネルギとしてエンジンを搭載したガソリン車のみに適用が限定されず、電気や水素燃料等を用いた車両に対しても適用可能であり、又、ヘッドランプ以外の任意の車両用灯具の放熱構造に対しても同様に適用可能であることは勿論である。又、本実施の形態では、半導体発光素子として、青色ＬＥＤを使用したが、青色ＬＥＤ以外のＬＥＤやレーザー等の他の半導体発光素子を光源として使用することができる。

１ 車両用灯具
２ ハウジング
３ アウタレンズ
４ 灯室
５ ランプモジュール
６ 半導体発光素子（光源）
７ エクステンション
８ 伝送ファイバ
９ 蛍光体
１０ レンズ
１１ ヒートシンク（放熱器）
１１ａ ヒートシンクのベース
１１ｂ ヒートシンクの放熱フィン
１２ 基板
１３ 放熱ベース
１４ ダクト
１４Ａ ダクトの吸気部
１４Ｂ ダクトの放熱部（鉛直部）
１４Ｃ ダクトの排気部
１４ａ ダクトの吸気口
１４ｂ ダクトの排気口
２０ 車両
２１ フロントグリル
２２ フロントバンパ
２３ ボンネット
２４ フロントガラス
２５ 前輪
２６ サイドミラー
Ｓ１ ダクトの放熱部の通風面積
Ｓ２ ダクトの吸気口の開口面積
Ｓ３ ダクトの排気口の開口面積

Claims (2)

1. 光源と、該光源で発生する熱を放熱する放熱器を備える車両用灯具の放熱構造であって、一部が上下方向に延びる鉛直部を備えるダクトの前記鉛直部に前記放熱器を内設し、前記ダクトの一端に開口する吸気口から流入して該ダクトの他端に開口する排気口から排出される空気によって前記放熱器の放熱を促進して前記光源を冷却する車両用灯具の放熱構造において、
   前記ダクトの前記放熱器が内設された箇所の通風面積Ｓ１と、同ダクトの前記吸気口の開口面積Ｓ２及び前記排気口の開口面積Ｓ３を、
   Ｓ２≧（０．４〜１．２５）Ｓ１≧Ｓ３
   の関係が成立するよう設定し、
   前記ダクトの排気口を車両のエンジンルームのフロントグリルとコンデンサ及びラジエータとの間に開口させたことを特徴とする車両用灯具の放熱構造。
   
2. 前記光源と前記放熱器が熱的に接続していることを特徴とする請求項１記載の車両用灯具の放熱構造。

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