JP5794225B2 - 発光装置の冷却システム、およびそれを用いた発光装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光装置の冷却システム、およびそれを用いた発光装置に関する。

近年、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた投射型表示装置（ＬＥＤプロジェクタ）の開発が進められている。

高輝度化が求められるＬＥＤプロジェクタでは、ハロゲンランプ搭載のプロジェクタと同程度の輝度が必要とされる場合、その輝度に応じた大電流をＬＥＤに流す必要がある。それにより、ＬＥＤと、ＬＥＤを搭載する基板との間の領域では、著しい温度上昇が発生する。一方で、ＬＥＤの発光色によっては、ＬＥＤの電力−光変換効率は温度に対して敏感である。そのため、ＬＥＤ内部での温度が周囲温度（環境温度）よりも高くなると、ＬＥＤの輝度が著しく低減する可能性がある。したがって、このような場合、ペルチェ素子等の冷却素子を用いて、ＬＥＤを冷却する必要が生じる。

冷却素子を用いてＬＥＤを冷却する場合、冷却素子の温度は周囲温度よりも低いことが望ましい。しかしながら、このことは結露の発生につながるため、冷却素子の使用と同時に、結露対策が考慮されなければならない。

例えば、特許文献１には、ＬＥＤを含む半導体光源を備えた電子機器の冷却装置において、結露の発生を防止する方法が開示されている。この冷却装置では、ペルチェ素子の吸熱面に取り付けられた冷却対象物（ＬＥＤ）が、乾燥空気が封入された密閉空間に収容されている。ペルチェ素子の吸熱面で吸収した熱を、密閉空間を形成する熱伝達部品を通じて、ペルチェ素子の放熱面から外部に放熱することで、ＬＥＤを冷却しながら、密閉空間内部での結露の発生が防止されている。

特開２００７−２５８５２０号公報

しかしながら、上述の冷却装置では、装置が小型化して密閉空間が狭くなると、ＬＥＤの発光面側に位置し、熱伝達部品と共に密閉空間を形成する密閉ケースの表面が冷やされてしまう。これにより、密閉空間の外部に結露が発生し、機器の周囲に設けられた電子部品がショートしてしまう危険性がある。

そこで、本発明は、ＬＥＤなどの発光体を含む発光装置において、発光体を発光装置の周囲よりも低温に維持しながら、発光装置の周囲への結露の発生を低減できる冷却システムを提供することを目的とする。また、本発明は、その冷却システムを用いた発光装置を提供することも目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の発光装置の冷却システムは、発光体を含む発光装置の冷却システムであって、冷却システムが、空気が封入され、発光装置を収容する密閉空間であって、放熱部材と、放熱部材に固定された二層構造のカバー膜と、によって形成された密閉空間と、密閉空間の内部で放熱部材に接触して設けられ、発光装置からの熱を吸収する吸熱面と、放熱部材に接触し、吸熱面で吸収した熱を放熱部材を通じて放出する放熱面と、を有する冷却素子と、発光装置と冷却素子との間に設けられ、一方の面が冷却素子の吸熱面に接触し、他方の面が発光装置に接触する金属板と、を有し、カバー膜が、密閉空間の外側に位置する透明な樹脂膜と、密閉空間の内側に位置し、発光体の光出射面を樹脂膜を通じて外部に露出させる開口部が形成された金属膜と、から構成されている。また、本発明の発光装置は、発光体が半導体発光素子を含み、上記に記載の発光装置の冷却システムを用いている。

以上、本発明によれば、ＬＥＤなどの発光体を含む発光装置において、発光体を発光装置の周囲よりも低温に維持しながら、発光装置の周囲への結露の発生を低減できる冷却システムと、その冷却システムを用いた発光装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における冷却システムを用いた発光装置を示す概略斜視図である。 図１のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図である。 図１のＢ−Ｂ’線に沿った概略断面図である。 本発明の第２の実施形態における冷却システムを用いた発光装置を示す概略断面図である。 本発明の第３の実施形態における冷却システムを用いた発光装置を示す概略断念図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

本明細書では、冷却システムが適用される発光装置として、発光体が半導体発光素子（発光ダイオード（ＬＥＤ））である発光装置を例に挙げて、本発明の冷却システムを説明する。

［第１の実施形態］
まず、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施形態における発光装置の冷却システムについて説明する。

図１は、本実施形態の冷却システムを用いた発光装置を概略的に示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ’線に沿った概略断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ線’に沿った概略断面図である。

本実施形態の冷却システムでは、図１および図２に示すように、発光体１を含む発光装置１０を冷却する冷却素子として、ペルチェ素子４、すなわちペルチェ効果を利用した熱電素子が用いられている。冷却される発光体１は、周囲をガラスからなる保護部材１ｂによって覆われたＬＥＤ素子１ａであり、ＬＥＤ素子１ａは、金属からなるＬＥＤ基板２上に搭載されている。

本実施形態の冷却システムは、ペルチェ素子４と、ペルチェ素子４の放熱面４ｂに接触して設けられたヒートシンク（放熱部材）１４と、ヒートシンク１４に接着剤で固定された二層構造のカバー膜１１と、を有している。さらに、冷却システムは、発光装置１０とペルチェ素子４との間に設けられた金属板３を有している。金属板３は、図２に示すように、底面（一方の面）がペルチェ素子４の吸熱面４ａと接触するようにペルチェ素子４に取り付けられている。金属板３の上面（他方の面）には、発光装置１０のＬＥＤ基板２が固定されている。本実施形態では、冷却システムのヒートシンク１４とカバー膜１１とによって形成された密閉空間５に、冷却される発光装置１０、金属板３、およびペルチェ素子４が収容されている。

ペルチェ素子４は、ＬＥＤ素子１ａの発光時に発生する熱を、ＬＥＤ基板２と金属板３とを通じて吸収して、ペルチェ素子４の駆動時に発生する熱と共にヒートシンク５から放出する。そのため、ペルチェ素子４の吸熱面４ａおよび放熱面４ｂは、金属板３の底面の面積と同程度か、あるいはそれよりも小さい面積であって、ＬＥＤ基板２の底面（金属板の上面との接触面）の面積よりも大きい面積を有している。また、ペルチェ素子４は、ペルチェ素子４の吸熱面４ａ全体で、金属板３と接触し、ＬＥＤ基板２は、ＬＥＤ基板２の底面全体で、金属板３と接触している。

このように、ＬＥＤ基板２を、ＬＥＤ基板２やペルチェ素子４よりも大きい金属板３に固定することで、ＬＥＤ素子１ａで発生した熱は、金属板３に拡散して、ペルチェ素子４の吸熱面４ａの全面に伝わる。これにより、ペルチェ素子４の吸熱面４ａの単位面積当たりの吸熱量を下げることができ、ペルチェ素子４の吸熱効率を向上させることができる。このとき、金属板３における熱拡散を促進させて、ペルチェ素子４の吸熱効率をさらに向上させるために、金属板３は、銅などの熱伝導性の高い物質を使用することが望ましく、例えば、平板状ヒートパイプであってもよい。

カバー膜１１は、密閉空間５の外側に位置する高放射率の樹脂膜１２と、密閉空間５の内側に位置する低放射率の金属膜１３と、から構成されている。樹脂膜１２は、少なくとも可視光領域では透明であり、波長８μｍ〜１１μｍの赤外線領域で０．９以上の放射率を有している。ウィーンの変位則によれば、波長８μｍ〜１１μｍの赤外線領域は、一般的な電子機器の部品の許容温度から周囲温度（環境温度）の範囲に相当する。一方、銅からなる金属膜１３は、波長８μｍ〜１１μｍの赤外線領域で０．１以下の放射率を有していることが好ましく、そのために、アルミ箔のような光沢のある表面を有していることが好ましい。また、金属膜１３は、そのような表面を有する別の金属からなっていてもよい。

ヒートシンク１４に接着剤で固定された樹脂膜１１は、図１および図３に示すように、金属板３に設けられた樹脂製のガード部材１５と、発光装置１０の発光体１とに接触して支持され、ヒートシンク１４と共に密閉空間５を形成している。ガード部材１５は、金属板３と金属膜１３との接触を阻止するために、金属板３の側面よりも外側に突出するように、金属板３に設けられている。また、ガード部材１５は、金属板３と金属膜１３との間の熱伝導を低下させるために、熱伝導率が０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下であることが好ましい。

金属膜１３には、外側の透明な樹脂膜１２を通じて、発光体１の上面である光出射面が外部に露出されるように、発光体１の光出射面に相当する開口部１３ａが形成されている。これにより、密閉空間５に収容されたＬＥＤ素子１ａから出射される光を外部に取り出すことが可能となる。

密閉空間５には、空気が封入されている。密閉空間５に空気を封入する作業、すなわちカバー膜１１をヒートシンク１４に接着剤で固定する作業は、乾燥した環境下で行うことが望ましい。また、空気の代わりに、乾燥ガスを用いることもできる。

なお、カバー膜１１には、図１に示すように、密閉空間５内部のＬＥＤ素子１ａに給電するための端子１８が接着剤で埋め込まれている。

このような構成により、カバー膜１１の外側の領域での結露の発生が防止されるメカニズムは、以下の通りである。

ＬＥＤ素子１ａの周辺部材、すなわちＬＥＤ基板２や金属板３は、ペルチェ素子４に熱が吸収されることで、周囲温度よりも低温となる。このとき、カバー膜１１は、このＬＥＤ基板２や金属板３によって冷やされるため、密閉空間５の外側にある樹脂膜１２側の熱は、内側にある金属膜１３側に奪われることになる。しかしながら、このようにして熱が奪われ、周囲の空気（外気）よりも低温となった樹脂膜１２は、放射率が高いため、外気から放射により熱を受け取ることができる。これにより、樹脂膜１２の熱が内側の金属膜１３に奪われても、外気と、樹脂膜１２、特に外気に触れる樹脂膜１２表面との温度差が広がるのを抑制することが可能となる。

一方で、密閉空間５の内側に位置する金属膜１３は、周囲温度よりも低温となったＬＥＤ基板２や金属板３に面しているが、金属膜１３の放射率が低いため、樹脂膜１２から奪った熱を、密閉空間５には放射しにくくなっている。すなわち、金属膜１３の熱は、ＬＥＤ基板２や金属板３に奪われにくくなっている。加えて、低放射率の金属膜１３は、発光体１の光出射面と接触することで樹脂膜１２がＬＥＤ素子１ａから受け取った熱を、カバー膜１１内に拡散させることもできる。

このように、周囲の空気（外気）との温度差を広げないようにする樹脂膜１２と、カバー膜１１の温度低下を抑制する金属膜１３との協働によって、外気と、外気に触れるカバー膜１１との温度差を最小限に抑えることができる。これにより、カバー膜１１の外側表面への結露発生を防止することが可能となる。

以上、本実施形態の冷却システムによれば、外気と、外気に触れるカバー膜１１との温度差を最小限に抑えることで、カバー膜１１の外側表面への結露の発生を低減することが可能となる。また、ペルチェ素子４によって冷却されるＬＥＤ素子１ａの周辺部材が、密閉空間５に封入された空気とカバー膜１１とによって、外気から断熱されていることで、ペルチェ素子４の吸熱性能が向上し、冷却に必要な電力を低減することも可能となる。また、本実施形態の冷却システムは、発光体１の光出射面が透明な樹脂膜１２を通じて外部に露出することで、発光体１からの光の出射を妨げることもない。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態における発光装置の冷却システムについて説明する。

図４は、本実施形態の冷却システムを用いた発光装置を概略的に示す断面図であり、図２に対応する図である。

本実施形態の冷却システムは、第１の実施形態に対して、密閉空間５を画定する部材の構成を変更した変形例である。本実施形態では、第１の実施形態のカバー膜１１およびヒートシンク１４の代わりに、カバー部材２１および水冷用のコールドプレート２４がそれぞれ設けられている。これ以外の構成については、第１の実施形態と同様であり、本実施形態によって得られる効果についても、第１の実施形態と同様である。なお、以下では、第１の実施形態と同じ部材については図面に同じ符号を付し、説明は省略する。

ペルチェ素子４の放熱面４ｂには、金属製の固定板２５と一体化されたコールドプレート２４が接触して設けられている。固定板２５には、柔軟なゴム部材２６を介して、発光装置１０、金属板３、およびペルチェ素子４を覆うように、二層構造のカバー部材２１が固定されている。

カバー部材２１は、密閉空間５の外側に位置し、波長８μｍ〜１１μｍの赤外線領域で０．９以上の放射率を有する樹脂部材２２と、密閉空間５の内側に位置し、樹脂部材２２の内壁に設けられたアルミ箔２３と、から構成されている。アルミ箔２３の代わりに、光沢のある表面を有する金属膜を用いることができ、あるいは、波長８μｍ〜１１μｍの赤外線領域で０．１以下の放射率を有する金属膜を用いることもできる。

カバー部材２１には、発光体１の光出射面を外部に露出させる出射開口部２１ａが形成されている。出射開口部２１ａは、発光体１から離れるにつれて開口径が大きくなるように、発光体１からの光の光路に合わせてテーパ状に形成されている。それにより、密閉空間５に収容されたＬＥＤ素子１から出射される光を外部に取り出すことが可能となる。また、出射開口部２１ａの開口縁部は、樹脂部材２２と固定板２５との間のゴム部材２６の厚みを調節することで、発光体１の光出射面に接着剤などで固着させることができる。これにより、発光装置１０、金属板３、およびペルチェ素子４を収容し、内部に空気が収容された密閉空間５が形成される。

本実施形態では、上述の結露の発生の防止メカニズムにおいて、出射開口部２１ａの開口縁部がＬＥＤ素子１で発生する熱の一部を吸収し、その熱がアルミ箔１５によってカバー部材２１内に拡散されることになる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態における冷却システムを用いた発光装置を概略的に示す断面図であり、図２に対応する図である。

本実施形態は、第２の実施形態に対して、発光体１の周囲を囲うようにリング部材３７を追加して設けた変形例である。リング部材３７は、発光体１に接触してＬＥＤ基板２上に固定されている。本実施形態では、出射開口部２１ａの開口縁部が、このリング部材３７の上面に接着剤などで固着され、それにより、密閉空間５が形成されている。リング部材３７は、上述の結露発生の防止メカニズムにおいて、発光体１とカバー部材２１との間の熱伝導を良好にするために、熱伝導性を有する樹脂製または金属製であることが好ましい。

なお、本実施形態のカバー部材２１の代わりに、金属膜にだけでなく樹脂膜にも開口部が設けられた、第１の実施形態のカバー膜を用いることも可能である。この場合、樹脂膜は透明でなくてもよく、また、本実施形態のコールドプレート２４の代わりに、第１の実施形態のヒートシンクを用いることもできる。

以上、実施形態および実施例を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態および実施例に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２０１０年３月５曰に出願された日本出願特願２０１０−０４９０４７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 発光体
１ａ ＬＥＤ素子
３ 金属板
４ ペルチェ素子
４ａ 吸熱面
４ｂ 放熱面
５ 密閉空間
１１ カバー膜
１２ 樹脂膜
１３ 金属膜
１３ａ 開口部
１４ ヒートシンク
１５ ガード部材
２１ カバー部材
２１ａ 出射開口部
２２ 樹脂部材
２３ アルミ箔
２４ コールドプレート
３７ リング部材

Claims (9)

1. 発光体を含む発光装置の冷却システムであって、該冷却システムが、
   空気が封入され、前記発光装置を収容する密閉空間であって、放熱部材と、該放熱部材に固定された二層構造のカバー膜と、によって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間の内部で前記放熱部材に接触して設けられ、前記発光装置からの熱を吸収する吸熱面と、前記放熱部材に接触し、前記吸熱面で吸収した熱を前記放熱部材を通じて放出する放熱面と、を有する冷却素子と、
   前記発光装置と前記冷却素子との間に設けられ、一方の面が前記冷却素子の前記吸熱面に接触し、他方の面が前記発光装置に接触する金属板と、を有し、
   前記カバー膜が、前記密閉空間の外側に位置する透明な樹脂膜と、前記密閉空間の内側に位置し、前記発光体の光出射面を前記樹脂膜を通じて外部に露出させる開口部が形成された金属膜と、から構成されている、
   発光装置の冷却システム。
2. 発光体を含む発光装置の冷却システムであって、該冷却システムが、
   空気が封入され、前記発光装置を収容する密閉空間であって、放熱部材と、該放熱部材に固定された二層構造のカバー部材とによって形成された密閉空間と、
   前記密閉空間の内部で前記放熱部材に接触して設けられ、前記発光装置からの熱を吸収する吸熱面と、前記放熱部材に接触し、前記吸熱面で吸収した熱を前記放熱部材を通じて放出する放熱面と、を有する冷却素子と、
   前記発光装置と前記冷却素子との間に設けられ、一方の面が前記冷却素子の前記吸熱面と接触し、他方の面が前記発光装置と接触する金属板と、を有し、
   前記カバー部材には、前記発光体の光出射面を外部に露出させるとともに、前記発光装置によって密閉されている出射開口部が形成され、
   前記カバー部材が、前記密閉空間の外側に位置する樹脂部材と、前記密閉空間の内側に位置する金属膜と、から構成されている、
   発光装置の冷却システム。
3. 前記出射開口部の開口縁部が、前記発光体の前記光出射面に固着されている、請求項２に記載の発光装置の冷却システム。
4. 前記発光装置が、前記発光体の周囲を囲うように前記発光体に接触して設けられたリング部材をさらに含み、
   前記出射開口部の開口縁部が、前記リング部材に固着されている、請求項２に記載の発光装置の冷却システム。
5. 前記樹脂部材が膜として形成されている、請求項４に記載の発光装置の冷却システム。
6. 前記金属板に設けられ、前記金属板の側面よりも外側に突出して、前記金属板と前記金属膜との接触を阻止する、樹脂製のガード部材をさらに有する、請求項１または５に記載の発光装置の冷却システム。
7. 前記金属板は、前記一方の面が、前記冷却素子の前記吸熱面全体と接触するとともに、前記他方の面が、前記発光装置の前記金属板との接触面全体と接触する、請求項１から６のいずれか１項に記載の発光装置の冷却システム。
8. 前記冷却素子が、ペルチェ効果を利用した熱電素子である、請求項１から７のいずれか１項に記載の発光装置の冷却システム。
9. 前記発光体が半導体発光素子を含み、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の発光装置の冷却システムを用いた発光装置。

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