JP2008300158A - 光源基板、光源装置および光源冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却液を通過させる薄型のジャケットを用いて、ＬＥＤ等の半導体光源を効率よく冷却する。
【解決手段】 光源基板１１の導体層１３に多数のＬＥＤ１２をマウントし、ＬＥＤ１２の発熱を絶縁層１４を介して冷却ジャケット１５に伝える。冷却ジャケット１５を複数枚の銅薄板２３の接合構造とし、銅薄板２３の接合面に冷却液を通過させる貫通路１６を形成する。貫通路１６に冷却液の循環配管を接続し、この配管上にポンプとラジエータとリザーバーとを配設する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の半導体光源を冷却する機能を備えた光源基板と、該基板を用いた光源装置と、該装置に好適な光源冷却システムとに関する。

近年、各種表示装置において、小電力で長寿命のＬＥＤが多用されている。多数のＬＥＤに比較的大きな電流を流す用途では、ＬＥＤが発熱により発光効率を低下させたり、表示装置の動作信頼性に悪影響を及ぼしたりする。このため、従来、ＬＥＤの光源基板に冷却機能部を設けた技術が提案されている。

例えば、図５に示すように、特許文献１に記載された光源基板５１は、アルミニウム製の冷却ベース５２の表面に絶縁層５３を介して金属板５４を貼り付け、金属板５４にマウントされたＬＥＤ５５の発熱を金属板５４と絶縁層５３を介して冷却ベース５２に回収するように構成されている。

図６に示すように、特許文献２に記載された光源基板６１は、金属製ジャケット６２のキャビティ６３に冷却液６４を密閉し、モータ６５により回転羽根６６を駆動し、金属板６７上にマウントされたＬＥＤ６８の発熱を冷却液６４に蓄え、冷却液６４の蓄熱をジャケット６２下部の空冷フィン６９から放散させるように構成されている。

特開２００１−３３２７６８号公報 特開２００５−６２４１９号公報

ところが、特許文献１の光源基板５１によると、ＬＥＤ５５を冷却する能力が冷却ベース５２の熱容量に依存しているため、多数のＬＥＤ５５に大きな電流を流す場合に、厚手の冷却ベース５２を使用する必要があり、光源基板５１の質量および嵩が増加するという問題点があった。

特許文献２の光源基板６１によると、冷却液６４がジャケット６２に密閉されているので、冷却液６４を撹拌するための回転羽根６６やモータ６５を装備する必要があるうえ、冷却液６４の放熱を促すための空冷フィン６９が不可欠になり、光源基板６１の構成が複雑かつ大型化するという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ＬＥＤ等の半導体光源を小型かつ簡単な構成で効率よく冷却できる光源基板と、該基板を用いた光源装置と、該装置を冷却するシステムとを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の光源基板は、半導体光源がマウントされる導体層と、導体層を電気絶縁する絶縁層と、絶縁層を介して半導体光源の発熱を奪う冷却ジャケットとを備え、冷却ジャケットが複数枚の金属薄板を接合して構成され、該金属薄板の接合面に冷却液を通過させる貫通路が形成されていることを特徴とする。

ここで、半導体光源はＬＥＤに限定されず、レーザーダイオードやＥＬ(エレクトロルミネッセンス)等を導体層にマウントすることができる。導体層には、銅またはアルミニウム等の導電性材料を使用できる。絶縁層には、エポキシ、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー等の樹脂材料を使用できる。

冷却ジャケットの金属薄板には、熱伝導性に優れた金属材料、例えば、アルミニウム、銅、チタン、銀、またはこれらの合金材料を使用できる。一枚の金属薄板の厚さは０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ、薄板の枚数は２〜１０枚程度であり、どちらも光源の数や用途または冷却ジャケットの厚さに応じて適宜に選択できる。

冷却ジャケットの貫通路は、例えば、金属薄板の接合面に溝を加工することによって形成される。溝加工にあたっては、レーザエッチング、ウエットエッチング、切削等の手段を採用できる。相接合する二枚の金属薄板のうち、一方の薄板の接合面に溝を加工し、これを他方の薄板で塞いで貫通路を形成できる。あるいは、両方の薄板の接合面にそれぞれ溝を加工し、接合により断面積の大きな貫通路を形成することも可能である。

金属薄板の接合には、ホットプレス法を好ましく採用できる。例えば、複数枚の銅薄板を表面処理した後にホットプレスにより直接接合してもよく、接合材（ろう材）を介して接合してもよい。接合材としては、ＡｕＳｎ、ＡｇＳｎ、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇＣｕ、ＡｕＳｉ、ＳｎＡｇＢｉ、ＳｎＡｇＢｉＣｕ等の共晶材料を好ましく使用できる。なお、貫通路に通過させる冷却液としては、水、エチレングリコール等の水溶液、シリコン系オイルなど、高流動性の液冷媒を使用できる。

本発明の光源装置は、半導体光源がマウントされる導体層と、導体層を電気絶縁する絶縁層と、絶縁層を介して半導体光源の発熱を奪う冷却ジャケットとからなる光源基板を備え、冷却ジャケットが複数枚の金属薄板を接合して構成され、該金属薄板の接合面に冷却液を通過させる貫通路が形成され、導体層に所要パターンの配線回路が形成され、該配線回路に半導体光源の電極を接続したことを特徴とする。

本発明の光源冷却システムは、上記光源装置を冷却するシステムであって、冷却液を光源基板の冷却ジャケットに循環させる配管を備え、該配管上に、冷却液を冷却ジャケットの貫通路に供給するポンプと、貫通路から吐出された冷却液を冷却するラジエータと、余剰の冷却液を貯留するリザーバーとを設けたことを特徴とする。

また、本発明の光源冷却システムは、冷却液の漏れや枯渇、ポンプやラジエータの故障等に備え、冷却ジャケットに放熱フィンを取り付けたことを特徴とする。

本発明によれば、半導体光源の発熱を冷却ジャケットに伝え、貫通路を通過する冷却液に回収し、冷却液を基板外部へ速やかに排出することで、半導体光源を効率よく冷却できる。冷却ジャケットを複数枚の金属薄板で構成したので、光源基板を薄くし、光源装置を小型化できる。特に、貫通路を金属薄板の接合面に形成したので、冷却ジャケットをエッチング等の手段で簡単かつ安価に製作できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は光源冷却システム１の全体的な構成を示す。図２は該システム１に組み込まれた光源装置２を図１のＡ−Ａ線で破断して示す。図３は該光源装置２の基板１１を図１のＢ−Ｂ線で破断して示す。図４は光源基板１１の変更例を示す。

図１に示す光源冷却システム１は、光源装置２に冷却液３を循環させる配管４を備えている。配管４上には、冷却液３を光源装置２の入口側コネクタ５に供給するポンプ６と、光源装置２の出口側コネクタ７から吐出された冷却液３を冷却するラジエータ８と、余剰の冷却液３を貯留するリザーバー９とが設けられている。

図２に示すように、光源装置２は厚さ１ｍｍ程度の平板形の光源基板１１を備えている。光源基板１１は、半導体光源としての多数のＬＥＤ１２がマウントされる導体層１３と、導体層１３を電気的に絶縁する絶縁層１４と、絶縁層１４を介してＬＥＤ１２の発熱を奪う冷却ジャケット１５とから構成されている。

冷却ジャケット１５には、冷却水３を通過させる貫通路１６がジャケット１５の全長にわたって延びるように形成されている。貫通路１６の一端には冷却水３の入口１７が設けられ、入口１７にコネクタ５が接続されている。貫通路１６の他端には冷却水３の出口１８が設けられ、出口１８にコネクタ７が接続されている。

図３に示すように、光源基板１１の導体層１３には、所要パターンの配線回路２０が形成され、配線回路２０にＬＥＤ１２の電極２１が接続されている。ＬＥＤ１２の発光チップ２２は導体層１３にマウントされ、発光チップ２２の発熱が導体層１３と絶縁層１４を介して冷却ジャケット１５に伝わるようになっている。

冷却ジャケット１５は、厚さ０．５ｍｍ程度の二枚の銅薄板２３を接合材２４を介してホットプレスにより接合して構成されている。両方の銅薄板２３の接合面には、同じ部位に複数本の溝２５がハーフエッチングにより加工されている。そして、二枚の銅薄板２３を接合することにより、冷却ジャケット１５に貫通路１６が形成されている。

上記構成の光源基板１１においては、ＬＥＤ１２の発熱が冷却ジャケット１５に伝わり、貫通路１６を流れる冷却液３に回収される。温度上昇した冷却液３はポンプ６により冷却ジャケット１５から光源基板１１の外部へ速やかに排出され、ラジエータ８で冷却された後に、ジャケット１５に還流する。従って、冷却液を密閉する従来の光源基板（図６参照）と比較し、ＬＥＤ１２を簡単かつ薄型の冷却ジャケット１５で効率よく冷却することができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、以下に例示するように、発明の趣旨を逸脱しない範囲で各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。

（１）図４示すように、冷却ジャケット１５の下側の銅薄板２３に放熱フィン２７を接着剤２８で取り付けること。こうすれば、冷却ジャケット１５の蓄熱の一部を放熱フィン２７で放散させ、光源冷却システム１の冷却能力をさらに高めることができる。また、システム１の異常時に、放熱フィン２７を主動的に機能させ、ＬＥＤ１２の寿命低下や破壊を未然に防止することが可能となる。

（２）図３に示す光源基板１１において、銅薄板２３の接合枚数を増やし、冷却ジャケット１５の貫通路１６を二段、三段またはそれ以上の多段に形成すること。
（３）図２に示す光源装置２において、ＬＥＤ１２にかえ、レーザーダイオードを導体層１３にマウントすること。

本発明の一実施例を示す光源冷却システムの斜視図である。 該システムの光源装置を示す断面図である。 該光源装置の光源基板を詳細に示す断面図である。 本発明の変更例を示す光源基板の断面図である。 従来の光源基板を示す斜視図である。 従来の別の光源基板を示す断面図である。

符号の説明

１ 光源冷却システム
２ 光源装置
３ 冷却液
４ 配管
６ ポンプ
８ ラジエータ
９ リザーバー
１１ 光源基板
１２ ＬＥＤ
１３ 導体層
１４ 絶縁層
１５ 冷却ジャケット
１６ 貫通路
２０ 配線回路
２１ 電極
２３ 銅薄板
２７ 放熱フィン

Claims (4)

1. 半導体光源がマウントされる導体層と、導体層を電気絶縁する絶縁層と、絶縁層を介して半導体光源の発熱を奪う冷却ジャケットとを備え、冷却ジャケットが複数枚の金属薄板を接合して構成され、該金属薄板の接合面に冷却液を通過させる貫通路が形成されていることを特徴とする光源基板。
2. 請求項１に記載された光源基板の導体層に所要パターンの配線回路を形成し、該配線回路に半導体光源の電極を接続したことを特徴とする光源装置。
3. 請求項２に記載された光源装置を冷却するシステムであって、冷却液を冷却ジャケットに循環させる配管を備え、該配管上に、冷却液を貫通路に供給するポンプと、貫通路から吐出された冷却液を冷却するラジエータと、余剰の冷却液を貯留するリザーバーとを設けたことを特徴とする光源冷却システム。
4. 前記冷却ジャケットに放熱フィンを取り付けたことを特徴とする請求項３記載の光源冷却システム。

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