JP2011258771A - Ｌｅｄ素子の放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートパイプによってＬＥＤ素子を冷却し、さらにヒートパイプによってＬＥＤ素子に電圧を印加する。
【解決手段】電圧が印加されることにより発光する半導体と、その半導体に導通された電極端子２ａ，２ｂとを有するＬＥＤ素子１の放熱構造において、前記ＬＥＤ素子１で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプ６を備えるとともに、そのヒートパイプ６の少なくとも一部が導電性を有するように構成され、前記電極端子２ａ，２ｂの少なくとも一つが前記ヒートパイプ６の導電性部分を介して電源８に電気的に接続されている。前記ＬＥＤ素子１が前記ヒートパイプ６の外面に直接接触している。
【選択図】図１

Description

この発明は、光源として使用されるＬＥＤ素子の放熱構造に関するものである。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源とする照明が、低消費電力で長寿命であることなどの利点から表示灯などで使用されて普及している。また、白熱電球や電球型蛍光灯などの既存の照明器具や車載用ハイマウントストップランプ（ＨＭＳＬ）などの光源に置き換えられる高消費電力のものも市場に普及され始めている。このような高消費電力の発光ダイオード（ＬＥＤ）は、発熱が大きいので、熱の影響を考慮する必要がある。すなわち、発光ダイオード（ＬＥＤ）のパフォーマンスを充分に引き出すためにはＬＥＤの放熱設計は必須であり、充分な放熱が確保されないと発光ダイオード（ＬＥＤ）自体の寿命、光度・光束の低下を招いて発光ダイオードの性能が低下する。そのため、発光ダイオード（ＬＥＤ）にはヒートシンクなどを備えた冷却構造が設けられる。このような冷却構造を備えた発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いたＬＥＤ電球が特許文献１に記載されている。

特許文献１には、一端に口金が設けられ、他端の開口部に向けてラッパ状に拡がるラッパ状金属放熱部、このラッパ状金属放熱部の開口部に取付けられた透光性カバーと、ラッパ状金属放熱部と透光性カバーとにより形成された略球体の内部に設けられた金属基板と、この金属基板の透光性カバーに対向する外面に実装されたＬＥＤ素子とを備えるＬＥＤ電球が記載されている。また、金属基板を板状にし、ラッパ状金属放熱部の開口部に絶縁性を有する高熱伝導部材を介して固着した構成、金属基板を一端が口金側に開口し他端が閉塞された筒状とし、この筒状の金属基板の開口部をラッパ状金属放熱部の口金側に絶縁性を有する高熱伝導部材を介して固着した構成、もしくは筒状の金属基板に、ＬＥＤ素子が実装された部分から口金側の周囲に突設され、前記ＬＥＤ素子からの放射光を透光カバー方向に反射させるとともに放熱を行う反射・放熱板を備えた構成とし、さらにＬＥＤ素子の発熱を抑制して高い発光効率で長寿命とするものが記載されている。

また、特許文献２には、複数のＬＥＤ素子と、複数のＬＥＤ素子が実装される実装基板を支持する支持部材と、実装基板を収納するバルブとを備えるＬＥＤランプが記載されている。この特許文献２に記載のＬＥＤランプは、ヒートパイプを実装基板に沿わすとともに、ヒートパイプをバルブから突出させることにより、ＬＥＤ素子が発生する熱をヒートパイプによって輸送して外部に放熱させる構成となっている。

特許文献３には、高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）照明組品が記載されている。このＬＥＤ照明組品は、熱交換基部と、少なくとも１つのＬＥＤアレイと、少なくとも１つのヒートパイプおよび熱放散モジュールとにより構成されている。ヒートパイプは、加熱部、冷却部および伝導部で構成されて、その内部には作動流体が入っている。この特許文献３に記載の高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）照明組品は、ＬＥＤによって発生される熱エネルギーは、熱交換基部からヒートパイプの加熱部に伝導され、それによってヒートパイプの動作流体を加熱および蒸発させ、熱放散モジュールで、伝導部から冷却部に放散のため流れる構成となっている。

特許文献４には、一端をヒートシンクに熱伝達可能に接続され、かつ電気絶縁層で覆われた複数のＬＥＤ素子が片面に電気絶縁物を介して載置された板状の熱伝導板と、前記熱伝導板の片面と離間して配置した薄板状の拡散透過層を備えた面発光光源が記載されている。この特許文献４に記載の面発光光源に備えられた熱伝導板は、中空板状で内部に液相、気相の相変化する常温で液体の作動液を封入したヒートパイプ又はサーモサイフォンとされ、面発光光源で発生した熱をこのヒートパイプ又はサーモサイフォンに大きな熱流を流して、ＬＥＤ素子個々の温度も所定温度に保つ構成となっている。

特許文献５には、多段層構造として並列に形成される複数の基板を有するＬＥＤランプが記載されている。基板の各々は、取り付けられた複数の発光ダイオードを有する。点灯して発光ダイオードによる熱が生じると、基板の各々は、そのままで、熱放散プレートとして機能するため、多段層基板は、ＬＥＤランプの発光ダイオードから生じた熱を、即座かつ効率的に、外に向かって放散し、ＬＥＤランプの照明品質の劣化を防止する。このＬＥＤランプには、発光ダイオードから生じた熱を放散するために前記熱放散プレートが備えられるとともに、熱放散デバイスが備えられ、この熱放散デバイスは、複数の伝熱ブロック、複数の水平ヒートパイプ、複数の縦熱放散フィン、複数の縦ヒートパイプおよび複数の水平熱放散プレートを有している。

特開２００１−２４３８０９号公報 特開２００４−２９６２４５号公報 特開２００８−２４３７８０号公報 特開２０００−３０５２１号公報 特開２００９−３２５９０号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載されたＬＥＤ電球は、ＬＥＤ素子で発生した熱を金属基板からラッパ状金属放熱部に伝達してラッパ状金属放熱部からＬＥＤ電球の外部に放熱する構造となっている。すなわち、発熱するＬＥＤ素子からラッパ状金属放熱部までの熱抵抗によって放熱効率が規定もしくは制約される。この熱抵抗は、金属基板やラッパ状金属放熱部など各部材の熱伝導率、サイズおよび形状によって決まる。また、ＬＥＤ素子の放熱効率は、ＬＥＤ素子と金属基板との接着方法・接着剤、金属基板の材質および基板上の配線パターンにも影響される。そのため、ＬＥＤ素子の数量を減少させつつ、照度を維持する場合や用途に応じて更に照度を増大させる場合などには、放熱効率を増大させる必要があり、そのためには特許文献１などの従来から知られている金属熱伝導による冷却構造では放熱することが不十分もしくは困難な場合や冷却構造の大型化や高コスト化するなどの問題があった。

また、上記の特許文献２に記載されたＬＥＤランプ、特許文献３に記載された高出力発光ダイオード（ＬＥＤ）照明組品、特許文献４に記載された面発光光源および特許文献５に記載されたＬＥＤランプの冷却では、それらの光源のＬＥＤ素子が取り付けられている実装基板、回路基板、電気絶縁層および多断層基板などを介して熱を伝達して、それらの介在物（各基板や電気絶縁層）からの熱をヒートパイプなどの熱抵抗が低いもので効率的に放熱している。しかしながら、ヒートパイプでは熱抵抗が低いため冷却効率がよいが、光源のＬＥＤ素子が取り付けられている実装基板、回路基板、電気絶縁層および多断層基板などを介して熱を伝達させるため、この部分では熱抵抗を低下させることが困難であり、そのためＬＥＤ素子の冷却効率（放熱効率）が向上させられないといった問題があった。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、構成を簡素化でき、またヒートパイプによる放熱効率を向上させることのできるＬＥＤ素子の放熱構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、電圧が印加されることにより発光する半導体と、その半導体に導通された電極端子とを有するＬＥＤ素子の放熱構造において、前記ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備えるとともに、そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、前記電極端子の少なくとも一つが前記ヒートパイプの導電性部分を介して電源に電気的に接続されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、電圧が印加されることにより発光する半導体と、その半導体に導通された電極端子とを有するＬＥＤ素子の放熱構造において、前記ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備え、そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、前記ＬＥＤ素子が前記導電性を有する部分に対して電気的に絶縁された状態で前記電極端子の少なくとも一つが前記ヒートパイプの導電性を有する部分に電気的に接続されていて、前記電極端子を介して前記ＬＥＤ素子の熱を前記ヒートパイプに伝達するとともにそのヒートパイプを介して前記ＬＥＤ素子を電源に導通させていることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記ＬＥＤ素子が前記ヒートパイプの外面に電気的に絶縁された状態で熱伝達可能に接触していることを特徴とする、ＬＥＤ素子の放熱構造である。

請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかの発明において、前記ＬＥＤ素子における前記ヒートパイプに対して熱を放散する放熱面の面積より広い面積で前記ヒートパイプに接触している熱伝導板を更に備え、前記ＬＥＤ素子はその熱伝導板を介して前記ヒートパイプに熱伝達可能に接触していることを特徴とする、ＬＥＤ素子の放熱構造である。

この発明の請求項１の発明によれば、ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備えるとともに、そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、電極端子の少なくとも一つがヒートパイプの導電性部分を介して電源に電気的に接続されているため、ＬＥＤ素子で発生した熱をヒートパイプによって放熱できるとともにヒートパイプから電極端子を介してＬＥＤ素子に電圧を印加できる。ＬＥＤ素子に対して給電する配線をヒートパイプが兼ねるので、全体としての構成を、放熱特性を損なうことなく、簡素化することができる。

請求項２の発明によれば、ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備え、そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、電極端子の少なくとも一つが前記ヒートパイプの導電性部分を介して電源に電気的に接続されており、電源からの電力がヒートパイプと電極端子とを介してＬＥＤ素子に伝えられて、ＬＥＤ素子に電圧が印加されるため、ＬＥＤ素子で発生した熱をヒートパイプによって放熱できるとともにヒートパイプから電極端子を介してＬＥＤ素子に電圧を印加できる。

請求項３の発明によれば、ＬＥＤ素子がヒートパイプの外面に電気的に絶縁された状態で接触しているため、そのＬＥＤ素子に接触したヒートパイプの外面でＬＥＤ素子で発生した熱を吸収してヒートパイプによって放熱できる。

請求項４の発明によれば、ＬＥＤ素子におけるヒートパイプに対して熱を放散する放熱面の面積より広い面積で前記ヒートパイプに接触している熱伝導板を更に備え、ＬＥＤ素子はその熱伝導板を介してヒートパイプに熱伝達可能に接触しているため、熱伝導板によって効率よくＬＥＤ素子で発生した熱をヒートパイプに伝達することができる。

この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例を示す模式図である。 図１に示した例におけるこの発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造およびこれに備えられる電気絶縁シートおよび放熱板を示す模式図である。 この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造のさらに他の例を示す模式図である。 図３に示した例におけるこの発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造およびこれに備えられる電気絶縁シートおよび放熱板を示す模式図である。 この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造のまたさらに他の例を示す模式図である。 ＬＥＤモジュールをヒートパイプに直接接触させて取り付けた構造の一例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造は、電極端子に接続されて電圧が印加されて発光および発熱をする、照明器具などに用いられるＬＥＤ素子の放熱（冷却）を熱抵抗の低いヒートパイプによって行うものである。また、ＬＥＤ素子をヒートパイプで冷却しつつ、電極端子にヒートパイプを導電（通電）可能に接続することによってＬＥＤ素子に電力を供給するものである。さらに、ヒートパイプは電極端子に熱伝導可能に取り付けられて、ＬＥＤ素子の熱をヒートパイプの放熱部から放熱するものである。

図１にこの発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例における主要部が示されている。符号１は、ＬＥＤ素子であり、そのカソード側の電極とアノード側の電極とに正常に発光するように極性を合わせて電気的に接続されてカソード側の電極に負、アノード側の電極に正の電圧が印加されることにより発光する。このＬＥＤ素子１は、カソード端子およびアノード端子（いずれも図示せず）を有しており、発色などに応じてシリコン層（図示せず）が積層されてＰ型部（Ｐ型半導体）とＮ型部（Ｎ型半導体）とが設けられ、それらカソード端子、アノード端子およびシリコン層が熱伝導性が高く電気絶縁性を備えた材質、例えばセラミックなどのダイや基板もしくは端子などに実装されて構成されている。以下、ＬＥＤ素子１は、カソード端子、アノード端子およびシリコン層が基板２に実装されているものとする。また、基板２には、ＬＥＤ素子１を発光させるための配線や素子などが実装される場合もある。ＬＥＤ素子１は、照明用や表示用の用途で使用され、カソード側とアノード側との両電極に電圧が印加されて発光するとともに、全入力電力のうち可視光領域の放射以外の部分は赤外領域の放射（発熱）か直接熱に変換され、また、ＬＥＤ素子１や基板２などに備えられた配線や素子に電流が流れることにより、ＬＥＤ素子１は発熱する。

ＬＥＤ素子１は基板２に構造的結合により係合もしくは接着剤により接着されて取り付けられて物理的に固定される。基板２は、アルミや樹脂などの材質で構成されている。これらＬＥＤ素子１と基板２とからＬＥＤモジュール（もしくはＬＥＤパッケージ）３が構成されている。なお、このＬＥＤモジュール３では、基板２上に複数のＬＥＤ素子１が直列に接続されており、もしくは基板２上に複数のＬＥＤ素子１を並列に接続する場合には最も順方向降下電圧（簡単に言えば、電流が流れ始める電圧）の低い素子のみに電流が集中して発光量が不均一になるなどの問題があるため、抵抗や能動素子で定電流制御した回路を一単位とし、この単位回路を並列に接続されている構成であってよい。

また、基板２は、ヒートスプレッダ（熱伝導板もしくは熱拡散板とも言う）４ａ，４ｂにＬＥＤ素子１からの熱を伝導可能に固定されている。この基板２は、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂにビスなどによって締結されている構成であってよい。また、基板２に実装されたＬＥＤ素子１のカソード端子およびアノード端子には金属端子（電極端子）２ａ，２ｂの一方端が接続されており、この金属端子２ａ，２ｂの他方端がヒートスプレッダ４ａ，４ｂに接続されている。ヒートスプレッダ４ａ，４ｂは熱伝導性および導電性を有した材料、例えば銅などによって構成されている。ヒートスプレッダ４ａ，４ｂは板状の２つの部材の端面同士を９０度程度のアングルが設けられて接合して構成され、もしくは板状の部材を９０度程度のアングルが付けられて折り曲げて形成されており、言うなれば、Ｌ字アングル部材として構成されている。このヒートスプレッダ４ａ，４ｂのアングルが設けられた一方の板面同士が面一とされて平面４ｃが構成され、この平面４ｃに前述の基板２が電気的に絶縁した状態で取り付けられる。その電気的な絶縁状態は、スペースをあけること、絶縁被膜（図示せず）を介在させることなどによって達成できる。このヒートスプレッダ４ａ，４ｂの平面４ｃと基板２との接触面には、熱伝導グリスが塗布される構成であってよい。

一方、このヒートスプレッダ４ａ，４ｂのアングルが設けられた他方の板面同士は、隙間が設けられて対向して配置されて対向面４ｄ，４ｅを構成している。この対向した対向面４ｄ，４ｅは、隙間が設けられて対向して配置されている。この対向した対向面４ｄ，４ｅ同士の隙間には、この対向面４ｄ，４ｅの一方側から他方側もしくはその逆方向に電流が流れるのを完全に阻む、すなわち絶縁するように絶縁体５が設けられる。この絶縁体５は、例えばポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等からなり、その厚さは例えば１〜３０μｍとされたものであってよい。

また、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂにおける面一にされて基板２が取り付けられた平面４ｃの裏側面４ｆ，４ｇと対向して配置された対向面４ｄ，４ｅの裏側面４ｈ，４ｉとには、並列して並べられた２本のヒートパイプ６が接触して取り付けられている。このヒートスプレッダ４ａ，４ｂの裏側面４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉに接触しているヒートパイプ６の部分が、ヒートパイプ６の吸熱部位６ａとなっている。このようにヒートスプレッダ４ａ，４ｂは、Ｌ字アングル部材として構成されて裏側面４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉにヒートパイプ６が接触して取り付けられることから、接触面積を増大させて熱伝導性を高め、また、導電性においても、ヒートパイプ６との接触面積が増大されて電気抵抗を低下させる構成となっている。

ヒートパイプ６は、通常の市販のものであってよく、内部に作動流体が封入されて吸熱部位（高温部）から放熱部位（低温部）に潜熱により熱エネルギーを運搬できる構成であってよい。また、ヒートパイプ６は、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂの形状やヒートパイプ６を設置するための筐体（図示せず）などに設けられた設置部位の形態に合わせてその形状が加工され、その材質は、純度の高い銅などの金属製で熱伝導性および導電性が優れたものとなっている。さらに、ヒートパイプ６は、その長手方向などに電流を流して、電力を伝達できる構成となっている。またさらに、ヒートパイプ６には、導線７ａ，７ｂの一方端側が導電可能に接続されている。したがって、ヒートパイプ６は、ＬＥＤ素子１に電圧を印加させる電気回路の一部となっている。導線７ａ，７ｂの他方端側は、基板２や金属端子２ａ，２ｂに電流を流すように電源８に接続されている。このように電源８から導線７ａ，７ｂを介してヒートパイプ６に導電可能に接続されて、さらに、ヒートパイプ６がヒートスプレッダ４ａ，４ｂに導電が可能に接触して取り付けられて、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂに金属端子２ａ，２ｂが接続されてＬＥＤ素子１に電圧を印加できる構成となっている。

図２に示すようにヒートパイプ６は、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂの裏側面４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉに接触している吸熱部位６ａから延長および屈曲されて放熱部位６ｂが設けられている。屈曲されて延長されたヒートパイプ６の放熱部位６ｂには、電気絶縁シート９ａ，９ｂが接触して取り付けられ、さらにそのヒートパイプ６と接触している面とは反対側の上層部には放熱板１０ａ，１０ｂが設けられている。電気絶縁シート９ａ，９ｂは熱伝導性を有し、ヒートパイプ６から放熱板１０ａ，１０ｂへの導電を阻止し、すなわち絶縁することのできる材質で、シート状に構成されている。放熱板１０ａ，１０ｂは、アルミなどを板状もしくはシート状にしたもので構成されている。そして、図示しない筐体に熱を伝導して外部に放熱する、もしくは筐体の外部に放熱する構成となっている。なお、図示しない筐体がヒートシンク（図示せず）などを備え、そのヒートシンクに放熱板１０ａ，１０ｂから熱が伝導されて外部に熱を放熱する構成であってもよい。

つぎに、ＬＥＤ素子１の動作について説明するとともに、この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例における作用について説明する。図示しない制御装置などにより電源８の電圧が制御されて、電源８に導電可能に接続された導線７ａ，７ｂに電流が流れる。導線７ａ，７ｂに電流が流れて、導線７ａ，７ｂに導電可能に接続されたヒートパイプ６に電流が流れる。また、ヒートパイプ６に電流が流れると、ヒートパイプ６に導電可能に接触して取り付けられたヒートスプレッダ４ａ，４ｂに電流が流れる。ヒートスプレッダ４ａ，４ｂには金属端子２ａ，２ｂの他方端が接続され、金属端子２ａ，２ｂの一方端がＬＥＤ素子１に接続されて、金属端子２ａ，２ｂに電流が流れる。そして、ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて電流が流れ、ＬＥＤ素子１が発光する。

このようにＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発光させると、全入力電力のうち可視光領域の放射以外の部分は赤外領域の放射（発熱）か直接熱に変換され、また、ＬＥＤ素子１や基板２などに備えられた配線や素子に電流が流れることにより、ＬＥＤ素子１は発熱して温度上昇する。ＬＥＤ素子１が駆動できる最大温度は、ジャンクション温度（Ｔｊ）といわれる半導体におけるＰ型部（Ｐ型半導体）とＮ型部（Ｎ型半導体）とのＰＮ接合部の温度によって決まる。これ以上、温度を上げるとＰＮ接合が破壊される限界の温度を最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）と呼び、この最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）を超えないように、この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例では、前述のようにＬＥＤ素子１に電圧を印加させる回路の一部となる熱抵抗の低いヒートパイプ６によってＬＥＤ素子１で発生した熱の放熱（冷却）が行われる。このとき、基板２内に実装された配線や素子の熱もヒートパイプ６によって熱の放熱（冷却）が行われる。

ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発熱して温度上昇すると、ＬＥＤ素子１で発生した熱が基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達される。ＬＥＤ素子１から基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達された熱は、熱伝導グリスがヒートスプレッダ４ａ，４ｂの平面４ｃと基板２との接触面に塗布される構成である場合には熱伝導グリスを介して、そうでない場合には直接にヒートスプレッダ４ａ，４ｂに伝達される。ヒートスプレッダ４ａ，４ｂに伝達された熱は、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂの裏側面４ｆ，４ｇ，４ｈ，４ｉに接触して取り付けられたヒートパイプ６の吸熱部位６ａに伝達される。

ヒートパイプ６の吸熱部位６ａに伝達された熱は、吸熱部位６ａにおいてヒートパイプ６の内部でパイプ中に凝縮性の液体（作動流体）が蒸発（潜熱が吸収）され、放熱部位６ｂ（図２）において作動流体の凝縮（潜熱の放出）のサイクルが発生して熱を移動（運搬）させる。放熱部位６ｂでパイプ内部の蒸気が冷却されるとパイプ内部を毛細管構造により（もしくは重力で）液体（作動流体）が吸熱部位６ａに戻される。ヒートパイプ６の放熱部位６ｂからの放熱は、図２に示すようにヒートパイプ６に流れる電流が筐体（図示せず）の外部に漏洩しないように電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂから筐体（図示せず）を経由して外部に放熱される。

このように、この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例では、ＬＥＤ素子１に電源８からヒートパイプ６を経由して電力が供給でき、このＬＥＤ素子１を発光させることができるとともに、ＬＥＤ素子１に電力を供給して発光させることによりＬＥＤ素子１で発生した熱を基板２および金属端子２ａ，２ｂを介してヒートパイプ６の吸熱部位６ａで吸収して放熱（冷却）することができる。ＬＥＤ素子１からヒートパイプ６の吸熱部位６ａで吸収された熱は、電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂに伝達され、図示しない筐体の外部に放熱することができる。

この発明は、ヒートパイプを、ＬＥＤ素子の熱を放熱部に輸送する手段およびＬＥＤ素子に給電するための手段として構成されている点に特徴があり、上述した図１および図２に示す例では、正負両側の金属端子２ａ，２ｂをヒートパイプ６に接続した構成としたが、これは、２本のヒートパイプ６を使用していることに伴う構成であり、したがって１本のヒートパイプ６を使用する場合には、正負いずれか一方の金属端子２ａ（もしくは２ｂ）をヒートパイプ６に電気的に接続し、そのヒートパイプ６を介してＬＥＤ素子１を電源８に電気的に接続することになる。金属端子２ａ，２ｂとヒートパイプ６との接続は、要は、両者が電気的に導通した状態で連結されていればよいので、金属端子２ａ，２ｂをヒートパイプ６の表面に接触させた状態で、ハンダや接着剤あるいは固定バンドなどの従来知られている適宜の固定手段によって両者を一体化することにより行えばよい。その例を図３に示してある。なお、図３において、前述した図１および図２に示す構成と同一の構成については図１および図２に付した符号と同一の符号を付してある。

図３において、符号１は、ＬＥＤ素子であり、このＬＥＤ素子１は、前述の図１および図２に示した構成と同様のものである。ＬＥＤ素子１は、前述の図１および図２に示した構成と同様に基板２に実装されている。この基板２も前述の図１および図２に示した構成と同様のものである。これらＬＥＤ素子１と基板２とからＬＥＤモジュール（もしくはＬＥＤパッケージ）３が構成されている。

基板２に実装されたＬＥＤ素子１のカソード端子およびアノード端子には金属端子（電極端子）２ａ，２ｂの一方端が接続されている。また、ＬＥＤ素子１が実装された基板２には、ヒートパイプ３１が備えられ、その吸熱部位３１ａが熱伝導可能に接触して取り付けられている。なお、基板２とヒートパイプ３１とは電気的に絶縁されており、またこれら両者の間の熱伝達を促進する場合には、熱伝導グリスが塗布される構成であってよい。したがって、ＬＥＤ素子１からこれが実装された基板２を介してヒートパイプ３１の吸熱部位３１ａに熱伝達される構成となっている。

一方の金属端子２ａが導線３０ａに接続されている。また、他方の金属端子２ｂがヒートパイプ３１に熱伝達および導電が可能に接続されている。さらにヒートパイプ３１には、導線３０ｂの一方端が導電可能に接続されている。またさらに、導線３０ａと導線３０ｂとの他方端には電源８が接続されている。

図３に示すように構成した場合であっても、前述した図１および図２に示す例と同様に、そのヒートパイプ３１の両端部に放熱部位を設けて、前記ＬＥＤ素子で生じた熱を外部に放散させるように構成することができる。図４はその例を示しており、ヒートパイプ３１は、基板２と接触している吸熱部位３１ａから延長および屈曲されて放熱部位３１ｂが設けられている。放熱部位３１ｂには、前述した図１および図２に示した例と同様に、電気絶縁シート９ａ，９ｂが接触して取り付けられ、さらにそのヒートパイプ３１と接触している面とは反対側の上層部には放熱板１０ａ，１０ｂが設けられている。そして、図示しない筐体に熱を伝達して外部に放熱し、もしくは筐体の外部に放熱する構成となっている。

図３および図４に示すように構成した放熱構造の作用について説明すると、図示しない制御装置などにより電源８の電圧が制御されて、電源８に導電可能に他方端が接続された導線３０ａ，３０ｂに電流が流れ、また導線３０ａに電流が流れて、導線３０ａに導電可能に一方端が接続された金属端子２ａに電流が流れる。一方、導線３０ｂに電流が流れ、導線３０ｂに導電可能に一方端が接続されたヒートパイプ３１に電流が流れる。ヒートパイプ３１に電流が流れると、ヒートパイプ３１に一方端が接続された金属端子２ｂに電流が流れる。こうして金属端子２ａ，２ｂに電流が流れると、ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて、ＬＥＤ素子１が発光する。

このようにＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発光させると、全入力電力のうち可視光領域の放射以外の部分は赤外領域の放射（発熱）か直接熱に変換され、また、ＬＥＤ素子１や基板２などに備えられた配線や素子に電流が流れることにより、ＬＥＤ素子１は発熱して温度上昇する。最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）を超えないように、前述のようにＬＥＤ素子１の熱を基板２を介して熱抵抗の低いヒートパイプ３１によって放熱（冷却）が行われる。このとき、基板２内に実装された配線や素子の熱もヒートパイプ３１によって熱の放熱（冷却）が行われる。

ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発熱して温度上昇すると、ＬＥＤ素子１で発生した熱が基板２と金属端子２ａとに伝達される。また、ヒートパイプ３１に電流が流れると、ヒートパイプ３１に導電可能に接触して取り付けられたＬＥＤ素子１から基板２と金属端子２ａとに伝達された熱は、熱伝導グリスが基板２とヒートパイプ３１との接触面に塗布される構成である場合には熱伝導グリスを介して、そうでない場合には直接にヒートパイプ３１の吸熱部位３１ａに伝達される

ヒートパイプ３１の吸熱部位３１ａに伝達された熱は、吸熱部位３１ａにおいて内部の作動流体に潜熱として吸収され、放熱部位３１ｂ（図４）において作動流体から潜熱として放出されて、潜熱の吸収と放出とのサイクルが発生して熱を移動（運搬）させる。放熱部位３１ｂでパイプ内部の蒸気が冷却されるとパイプ内部を毛細管構造（もしくは重力）により液体（作動流体）が吸熱部位３１ａに戻される。ヒートパイプ３１の放熱部位３１ｂからの放熱は、図４に示すようにヒートパイプ３１に流れる電流が筐体（図示せず）の外部に漏洩しないように電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂから筐体（図示せず）を経由して外部に放熱される。

このように、この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例では、ＬＥＤ素子１に電源８からヒートパイプ３１を経由して電力が供給でき、このＬＥＤ素子１を発光させることができるとともに、ＬＥＤ素子１に電力を供給して発光させることによりＬＥＤ素子１で発生した熱を基板２および金属端子２ｂを介してヒートパイプ３１の吸熱部位３１ａで吸収して放熱（冷却）することができる。ＬＥＤ素子１からヒートパイプ３１の吸熱部位３１ａで吸収された熱は、電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂに伝達され、図示しない筐体の外部に放熱することができる。

つぎに、図５を参照して、この発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造のさらに他の例について説明する。なお、前記図１に示したこの発明に係るＬＥＤ素子の放熱構造の一例とは、ヒートスプレッダ４ａ，４ｂを備えていない構成であるほかは、ほぼ同様の構成であるため、同様の構成のものについては同じ符号を用いて説明する。図５において符号１は、ＬＥＤ素子であり、このＬＥＤ素子１は、前述の図１および図２に示した構成と同様のものである。ＬＥＤ素子１は、前述の図１および図２に示した構成と同様に基板２に実装されている。この基板２も前述の図１および図２に示した構成と同様のものである。これらＬＥＤ素子１と基板２とからＬＥＤモジュール（もしくはＬＥＤパッケージ）３が構成されている。

基板２に実装されたＬＥＤ素子１のカソード端子およびアノード端子には金属端子（電極端子）２ａ，２ｂの一方端が接続されており、この金属端子２ａ，２ｂの他方端がヒートパイプ４１に熱伝導性および導電性を有して接続されている。また、基板２は、２本のヒートパイプ４１に電気的に絶縁された状態で固定されている。その電気的な絶縁状態は、スペースをあけること、絶縁被膜（図示せず）を介在させることなどによって達成できる。この基板２とヒートパイプ４１との間の熱伝達を促進する場合には、その接触面２ｃに熱伝導グリスが塗布される構成であってよい。また、２本のヒートパイプ４１が並列して並べられている間には、絶縁体５が挟まれて備えられている。そして、基板２の接触面２ｃからヒートパイプ４１へと熱伝導される構成となっている。

さらに、各ヒートパイプ４１には、導線７ａ，７ｂの一方端側が導電可能に接続されている。したがって、ヒートパイプ４１は、ＬＥＤ素子１に電圧を印加させる電気回路の一部となっている。導線７ａ，７ｂの他方端側は、基板２や金属端子２ａ，２ｂ、ヒートパイプ４１に電流を流すように電源８に接続されている。このように電源８から導線７ａ，７ｂを介してヒートパイプ４１に導電可能に接続されて、ヒートパイプ４１に金属端子２ａ，２ｂが接続されてＬＥＤ素子１に電圧を印加できる構成となっている。

図５に示す各ヒートパイプ４１から放熱させるための構成は、前述した図４に示す構成とすることができる。すなわち、ヒートパイプ４１は、基板２に接触している吸熱部位４１ａから延長および屈曲されて放熱部位４１ｂが設けられている。屈曲されて延長されたヒートパイプ４１の放熱部位４１ｂには、電気絶縁シート９ａ，９ｂが接触して取り付けられ、さらにそのヒートパイプ４１と接触している面とは反対側の上層部には放熱板１０ａ，１０ｂが設けられている。電気絶縁シート９ａ，９ｂは熱伝導性を有し、ヒートパイプ４１から放熱板１０ａ，１０ｂへの導電を阻止でき、すなわち絶縁することのできる材質で、シート状に構成されている。そして、図示しない筐体に熱を伝導して外部に放熱する、もしくは筐体の外部に放熱する構成となっている。なお、図示しない筐体がヒートシンク（図示せず）などを備え、そのヒートシンクに放熱板１０ａ，１０ｂから熱が伝導されて外部に熱を放熱する構成であってもよい。

図５に示すように構成した場合であっても、図示しない制御装置などにより電源８の電圧が制御されて、電源８に導電可能に接続された導線７ａ，７ｂに電流が流れる。導線７ａ，７ｂに電流が流れて、導線７ａ，７ｂに導電可能に他方端が接続された金属端子２ａ，２ｂに電流が流れる。金属端子２ａ，２ｂに電流が流れると、金属端子２ａ，２ｂの一方端が接続されたＬＥＤ素子１に電圧が印加されて、電流が流れ、ＬＥＤ素子１が発光する。

このようにＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発光させると、全入力電力のうち可視光領域の放射以外の部分は赤外領域の放射（発熱）か直接熱に変換され、また、ＬＥＤ素子１や基板２などに備えられた配線や素子に電流が流れることにより、ＬＥＤ素子１は発熱して温度上昇する。最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）を超えないように、前述のようにＬＥＤ素子１の熱を基板２を介して熱抵抗の低いヒートパイプ４１によって放熱（冷却）が行われる。このとき、基板２内に実装された配線や素子の熱もヒートパイプ４１によって熱の放熱（冷却）が行われる。

ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発熱して温度上昇すると、ＬＥＤ素子１で発生した熱が基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達される。ＬＥＤ素子１から基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達された熱は、熱伝導グリスが基板２とヒートパイプ４１との接触面に塗布される構成である場合には熱伝導グリスを介してヒートパイプ４１の吸熱部位４１ａに伝達される。

ヒートパイプ４１の吸熱部位４１ａに伝達された熱は、吸熱部位４１ａにおいて内部の作動流体に潜熱として吸収され、放熱部位４１ｂ（図４）において作動流体から潜熱として放出されて、潜熱の吸収と放出とのサイクルが発生して熱を移動（運搬）させる。放熱部位４１ｂでパイプ内部の蒸気が冷却されるとパイプ内部を毛細管構造（もしくは重力）により液体（作動流体）が吸熱部位４１ａに戻される。ヒートパイプ４１の放熱部位４１ｂからの放熱は、図４に示すようにヒートパイプ４１に流れる電流が筐体（図示せず）の外部に漏洩しないように電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂから筐体（図示せず）を経由して外部に放熱される。

このように、図５に示す例では、ＬＥＤ素子１で発生した熱を基板２および金属端子２ａ，２ｂを介してヒートパイプ４１の吸熱部位４１ａで吸収して放熱（冷却）することができる。ＬＥＤ素子１からヒートパイプ４１の吸熱部位４１ａで吸収された熱は、電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂに伝達され、図示しない筐体の外部に放熱することができる。同時に、ヒートパイプ４１を介してＬＥＤ素子１に対して給電することができ、ＬＥＤ素子１に給電するためのリード線などの配線を省いて全体としての構成を簡素化することができる。

なお、ヒートパイプにＬＥＤモジュール（もしくはＬＥＤパッケージ）を直接取り付けた構造の一例を参考して示すと図６のとおりである。図６において、符号１はＬＥＤ素子であり、このＬＥＤ素子１は、前述の図１および図２に示した構成と同様のものであって、基板２に実装されている。この基板２も前述の図１および図２に示した構成と同様のものである。これらＬＥＤ素子１と基板２とからＬＥＤモジュール（もしくはＬＥＤパッケージ）３が構成されている。

基板２に実装されたＬＥＤ素子１のカソード端子およびアノード端子には金属端子（電極端子）２ａ，２ｂが接続されており、この金属端子２ａ，２ｂの他端が導線２０ａ，２０ｂに接続されている。導線２０ａ，２０ｂは、電源８に接続され、したがってその導線２０ａ，２０ｂを介してＬＥＤ素子１に給電するように構成されている。また、ＬＥＤ素子１が実装された基板２は、ヒートパイプ２１に熱伝達可能に接触し、かつ固定されている。なお、基板２とヒートパイプ２１との接触面には、熱伝導グリスが塗布される構成であってよい。

図６に示すように構成した場合であっても、そのヒートパイプ２１を前述した図４に示すように構成して外部に放熱させるように構成することができる。すなわち、ヒートパイプ２１は、基板２と接触している吸熱部位２１ａから延長および屈曲されて放熱部位２１ｂが設けられている。放熱部位２１ｂには、電気絶縁シート９ａ，９ｂが接触して取り付けられ、さらにそのヒートパイプ２１と接触している面とは反対側の上層部には放熱板１０ａ，１０ｂが設けられている。

図示しない制御装置などにより電源８の電圧が制御されて、電源８に導電可能に接続された導線２０ａ，２０ｂに電流が流れると、導線２０ａ，２０ｂに導電可能に他方端が接続された金属端子２ａ，２ｂに電流が流れる。金属端子２ａ，２ｂに電流が流れると、金属端子２ａ，２ｂの一方端が接続されたＬＥＤ素子１に電圧が印加されて、電流が流れ、ＬＥＤ素子１が発光する。

このようにＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発光させると、全入力電力のうち可視光領域の放射以外の部分は赤外領域の放射（発熱）か直接熱に変換され、また、ＬＥＤ素子１や基板２などに備えられた配線や素子に電流が流れることにより、ＬＥＤ素子１は発熱して温度上昇する。最大ジャンクション温度（Ｔｊｍａｘ）を超えないように、ＬＥＤ素子１の熱を基板２を介して熱抵抗の低いヒートパイプ２１によって放熱（冷却）が行われる。このとき、基板２内に実装された配線や素子の熱もヒートパイプ２１によって熱の放熱（冷却）が行われる。

ＬＥＤ素子１に電圧が印加されて発熱して温度上昇すると、ＬＥＤ素子１で発生した熱が基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達される。ＬＥＤ素子１から基板２と金属端子２ａ，２ｂとに伝達された熱は、熱伝導グリスが基板２とヒートパイプ２１との接触面に塗布される構成である場合には熱伝導グリスを介してヒートパイプ２１の吸熱部位２１ａに伝達される。

ヒートパイプ２１の吸熱部位２１ａに伝達された熱は、吸熱部位２１ａにおいて内部でパイプ中の作動流体に潜熱として吸収され、放熱部位２１ｂ（図４）において作動流体から潜熱として放出されて、潜熱の吸収と放出とのサイクルが発生して熱を移動（運搬）させる。放熱部位２１ｂでパイプ内部の蒸気が冷却されるとパイプ内部を毛細管構造により液体（作動流体）が吸熱部位２１ａに戻される。ヒートパイプ２１の放熱部位２１ｂからの放熱は、図４に示すようにヒートパイプ２１に流れる電流が筐体（図示せず）の外部に漏洩しないように電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂから筐体（図示せず）を経由して外部に放熱される。

このように、ＬＥＤ素子１で発生した熱を基板２および金属端子２ａ，２ｂを介してヒートパイプ２１の吸熱部位２１ａで吸収して放熱（冷却）することができる。ＬＥＤ素子１からヒートパイプ２１の吸熱部位２１ａで吸収された熱は、電気絶縁シート９ａ，９ｂを介して放熱板１０ａ，１０ｂに伝達され、図示しない筐体の外部に放熱することができる。

なお、上述した各具体例において、ＬＥＤ素子１で発生した熱を潜熱により放熱し、ＬＥＤ素子１に電圧を印加する回路を構成するデバイスをヒートパイプ６，２１，３１，４１とする構成としたが、この発明においてはＬＥＤ素子１で発生した熱を潜熱により効率よく放熱できるとともに、ＬＥＤ素子１に電圧を印加する回路を構成できればよく、例えば、電気を伝導することのできるベーパチャンバなどであってもよい。また、上記の各具体例では、ヒートパイプのコンテナが銅などの導電性材料で構成され、したがってそのコンテナに電極端子を接続した例を示したが、この発明では絶縁材料でコンテナを構成したヒートパイプを使用することができ、その場合には外面の少なくとも一部に導電性被膜を形成するなど、導電性部分を設ければよい。

１…ＬＥＤ素子、 ２ａ，２ｂ…電極端子（金属端子）、 ６，３１，４１…ヒートパイプ、 ８…電源。

Claims (4)

1. 電圧が印加されることにより発光する半導体と、その半導体に導通された電極端子とを有するＬＥＤ素子の放熱構造において、
   前記ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備えるとともに、
   そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、
   前記電極端子の少なくとも一つが前記ヒートパイプの導電性部分を介して電源に電気的に接続されている
   ことを特徴とする、ＬＥＤ素子の放熱構造。
2. 電圧が印加されることにより発光する半導体と、その半導体に導通された電極端子とを有するＬＥＤ素子の放熱構造において、
   前記ＬＥＤ素子で発生した熱を作動流体によって輸送して放熱するヒートパイプを備え、
   そのヒートパイプの少なくとも一部が導電性を有するように構成され、
   前記ＬＥＤ素子が前記導電性を有する部分に対して電気的に絶縁された状態で前記電極端子の少なくとも一つが前記ヒートパイプの導電性部分を介して電源に電気的に接続されていて、前記電極端子を介して前記ＬＥＤ素子の熱を前記ヒートパイプに伝達するとともにそのヒートパイプを介して前記ＬＥＤ素子を電源に導通させている
   ことを特徴とする、ＬＥＤ素子の放熱構造。
3. 前記ＬＥＤ素子が前記ヒートパイプの外面に電気的に絶縁された状態で熱伝達可能に接触していることを特徴とする請求項１または２に記載の、ＬＥＤ素子の放熱構造。
4. 前記ＬＥＤ素子における前記ヒートパイプに対して熱を放散する放熱面の面積より広い面積で前記ヒートパイプに接触している熱伝導板を更に備え、前記ＬＥＤ素子はその熱伝導板を介して前記ヒートパイプに熱伝達可能に接触している
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の、ＬＥＤ素子の放熱構造。

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