能動的冷却を備えたＬＥＤ光アセンブリ
【課題】放熱構造体の上に流れを生成するためにハウジング内に配置される流体流れ生成装置を備えたＬＥＤ光アセンブリを提供する。
【解決手段】ＬＥＤ光アセンブリは、ハウジングと、該ハウジング内に配置されたＬＥＤ５４と、放熱構造体５６と、圧電材料７６によって上下に動くブレード７８を有する流体流れ生成装置とを含む。ＬＥＤは、放熱構造体と熱的に連通し、流路表面を有する。流体流れ生成装置がハウジング内に配置され、流路表面の上に流れを生成する。
【解決手段】ＬＥＤ光アセンブリは、ハウジングと、該ハウジング内に配置されたＬＥＤ５４と、放熱構造体５６と、圧電材料７６によって上下に動くブレード７８を有する流体流れ生成装置とを含む。ＬＥＤは、放熱構造体と熱的に連通し、流路表面を有する。流体流れ生成装置がハウジング内に配置され、流路表面の上に流れを生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年３月３１日に出願された米国特許仮出願番号第６０／４５９，２３８号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）は、一般に、ダイス又はチップ上に取り付けられたダイオードを含む。次に、ダイオードは、カプセル材料で囲まれる。ダイスは、電源から電力を受け取り、その電力をダイオードに供給する。ダイスは、ダイス支持体内に取り付けることができる。より明るいＬＥＤを生成するために、一般に、より多くの電力がＬＥＤに伝えられる。
多数のＬＥＤ照明装置は、通常のフィラメント電球システムと異なる熱伝達経路を通して放熱する。より具体的には、高出力ＬＥＤ照明装置は、カソード（負端子）脚部を介して、又は直接ダイス取付け装置内に取り付けられたダイスを通して、相当量の熱を放熱する。通常の放熱システム（すなわち、大部分の熱をランプの前面レンズに放射するもの）は、高出力ＬＥＤシステムの熱を適切に減少させない。したがって、高出力ＬＥＤシステムは、高い作動温度で作動する傾向がある。
【０００３】
高い作動温度は、ＬＥＤ照明装置の性能を劣化させる。経験的データは、室温において、ＬＥＤ照明装置が５０，０００時間に達する寿命を有するが、９０℃付近における作動により、ＬＥＤの寿命は７，０００時間未満まで減少され得ることを示した。
小さい照明設置面積内で高輝度ＬＥＤを使用するために、ある程度の能動的冷却が、ＬＥＤの温度低下、よって、大きなヒートシンクが不要であることから照明器具全体のサイズの減少を容易にすることができる。ファンを用いるスポット冷却が周知である。周知のファンは、周囲全体の周りに、内部チャンバを定める剛性ハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）に取り付けられた可撓性ダイアフラムを含む。ダイアフラムは、オリフィスを含む。ダイアフラムは、圧電アクチュエータによって作動されるとき、内部チャンバに出入りする。
【０００４】
ダイアフラムがチャンバ内に移動すると、チャンバの体積が減少し、流体が、オリフィスを通してチャンバから排出される。流体がオリフィスを通過するとき、流れは、オリフィスの鋭利な縁部で分離し、渦面を形成し、これが渦になる。これらの渦は、渦自体の自己誘導速度のもとでオリフィスの縁部から離れる。
ダイアフラムがチャンバから外に移動すると、チャンバの体積が増加し、周囲流体がオリフィス内に、よってチャンバ内に引き込まれる。渦は、既にオリフィスの縁部から移動されているので、チャンバ内に運ばれる周囲流体によって影響を受けない。渦がオリフィスから遠ざかるように移動するとき、周囲流体を巻き込むことによって、流体の噴流、すなわち「合成噴流」を合成する。電子パッケージの冷却に有用であることが見出されたのは、これらのファンすなわち合成噴流生成装置である。
【０００５】
周知の圧電ファン及び合成噴流アクチュエータは、これらが単一の可動要素又は撓みが制限された可動要素だけを用いるという点で、比較的限られた能力を有する。上述の欠点を克服する能動的冷却システムを提供することによって、ＬＥＤアセンブリの性能を向上させることが望ましい。
【０００６】
米国特許番号６２５２７２６は、二つのハーメチック・シールされた筐体を有する光学部品をハウジングするためのパッケージを開示している。第１の筐体は前記光学部品用であり、第２の筐体は電気部品および熱放散デバイスである。光学部品は、レーザーダイオード、レンズ、ファイバ、および、その他の光学部品を含む。記載された熱放散デバイスは、ペルチャー冷却デバイスであり、それは、小さな流れを運ぶことで二つの異なる金属の接合器において、熱を吸収する。ＥＰ−Ａ−０３８５０９０は、電気部品を冷却するための流体熱交換器を開示する。ハウジングにある注入口からハウジングにある出口へ向けて流体を注入するために、圧電材料が、複数の可撓性ブレードに接続される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ＬＥＤ光アセンブリは、ハウジングと、該ハウジング内に配置されたＬＥＤと、放熱構造体と、流体流れ生成装置とを含む。ＬＥＤは、放熱構造体と熱的に連通し、流路表面を有する。流体流れ生成装置がハウジング内に配置され、流路表面の上に流れを生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】放熱システムを有するＬＥＤランプ装置の一部の側面斜視図を示す。
【図２】図１のＬＥＤランプ装置の上部斜視図を示す。
【図３】代替的な放熱システムを有するＬＥＤランプ装置の一部の側面斜視図を示す。
【図４】図３のＬＥＤランプ装置の上部斜視図を示す。
【図５】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図６】図５の線６−６に沿って取られた断面図を示す。
【図７】図６のものに類似した断面図を示す。
【図８】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図９】図８の側板の一つの詳細図を示す。
【図１０】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図１１】放出導管の斜視図を示す。
【図１２】オリフィス板の平面図を示す。
【図１３】代替的なオリフィス板の平面図を示す。
【図１４】代替的なオリフィス板の平面図を示す。
【図１５】図１４のオリフィス板の底面図を示す。
【図１６】放熱システムのための多数の出口構成を示す。
【図１７】別の代替的な放熱システムを有するランプ装置の一部の平面図を示す。
【図１８】線１８−１８で取られた図１７の断面を示す。
【図１９】代替的な流体流れ生成装置の側面図を示す。
【図２０】図１９の平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面は、好ましい実施形態を例証するためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明を制限するものと解釈するべきではない。
図１を参照すると、ＬＥＤ光アセンブリの一部１０が、ファン１８が取り付けられた放熱構造体１６に固定された複数のＬＥＤ１４から構成されるＬＥＤアレイ１２を含む。「ファン」という用語は、空気の流れを生成する装置、又は空気を動かすために羽根を回転させるモータを用いる機械だけに限定されるものではない。「ファン」という用語は、空気だけに限られず、流体の流れを生成するための装置を説明するように、より広く用いられる。ＬＥＤアセンブリの一部１０は、半透明のカバー（図示せず）で覆うことができ、及び／又は、取付け具又はハウジング（図示せず）内に配置し、ＬＥＤアセンブリを形成することができる。各々のＬＥＤ１４は、電源（図示せず）から電力を受け取り、その電力をＬＥＤ１４に供給するダイス（見えない）を含む。ダイスは、ダイス支持体２０内に収納される。ＬＥＤにより生成される熱は、ダイスを介して放熱構造体１６に伝えられる。
ＬＥＤの取付け、及びＬＥＤに電力を供給するために用いられる電気接続は、当該技術分野において周知であり、よって更なる説明は不要である。ＬＥＤ１４は、当該技術分野において周知の通常のＬＥＤとすることができる。ＬＥＤ１４は、取付け板２２上に取り付けられる。取付け板２２、よってＬＥＤアレイ１２は、放熱構造体１６の第１の面すなわち下面２４に取り付けられる。
【００１０】
ここで図２も参照すると、放熱構造体１６は、下面２４と、ＬＥＤ１４により生成される熱を放熱するための流体流れ路の表面として働く第２の面すなわち上面２６とを含む。上面は、たいがいは空気である流体が流れて放熱を助ける放熱面を提供する。放熱構造体１６は、ＬＥＤ光アセンブリの一部１０が取り付けられるＬＥＤ照明器具（図示せず）の別個の熱伝導性部品とすることができ、或いはＬＥＤ照明器具の構成部品の１つと一体の熱伝導性部品とすることもできる。放熱構造体はまた、プリント基板又は類似した構造体を含む、ＬＥＤを取り付ける構造体を含むこともできる。
【００１１】
台座３０は、放熱構造体１６の上面２６から上方に、該上面２６と垂直に延びる。台座３０は、放熱構造体１６と同じ幅であるが、該台座が放熱構造体と同じ幅である必要はない。台座３０は、ファン１８が取り付けられる台座面３２を有する。台座面３２は、ファン１８がパタパタ動くのを可能にするように、上面２６から適正な量だけ間隔をおいて配置される。したがって、ファンの長さ及び特性により、台座面３２と上面２６との間の高低差が制限されることがあり、逆もまた同様である。台座３０は、ファンと該台座の間の取付け時に、流体が上面２６とファン１８との間を流れる如何なる流路も含まないことから、中実にすることができる。同様に、台座３０を中空にすることもでき、ファンと該台座の間の取り付け時に、上面２６から垂下する壁が、流体流れを防止することができる。図１及び図２において、台座３０は、放熱構造体１６の端部に配置される。代替的に、放熱構造体１６のより中央に台座３０を配置することもできる。この代替においては、１つのファン又は複数のファンが、台座３０の各々の側面から離れるように、よって上面２６の上方に片持ち状に突出することができる。ファン１８は、台座３０の中央部に取り付けられるように示されるが、台座のどこにでも取り付けることができる。
【００１２】
前述のように、ＬＥＤ１４により生成される熱は、熱伝導によって放熱構造体１６に伝えられる。放熱構造体１６を冷却するために、空気又は他の何らかの流体が、該放熱構造体の表面の上及びその周りに移動される。ファン１８は、こうした流体を放熱構造体１６の上に移動させるのを助ける。
ファン１８は、圧電材料３６に取り付けられたブレード３４を含む。ブレードは、可撓性材料、好ましくは可撓性金属で作られる。ブレード３４の取り付けられていない端部３８は、台座３０から離れるように、上面２６の上方に片持ち状に突出する。ブレードは、台座面３２に取り付けられるので、ブレードが動いているとき、ブレード３４の取り付けられていない端部３８は、上面２６に接触しない。圧電材料３６は、取り付けられていない端部３８の反対側及び台座３０の上方のブレード３４に取り付けられる。代替的に、圧電材料３６は、ブレード３４の長さ又は長さの一部に及ぶことができる。圧電材料３６は、通常の方法で、電源（図示せず）に電気的に接続されたセラミック材料を含む。電気が第１の方向に圧電材料３６に適用されると、圧電材料が膨張し、ブレード３４をある方向に移動させる。次に、電気が他の方向に適用されると、圧電材料が収縮し、ブレード３４を反対方向に移動させる。交流が、ブレード３４を連続的に前後に移動させる。
【００１３】
図１及び２において、ファンが、放熱構造体１６に直接取り付けられている。代替的に、ファン１８は、光アセンブリ又は照明器具の別の構成部品に取り付けることができる。この代替においては、ファンが放熱構造体の外面の周りに空気流を生成できるように、ファン１８は、放熱構造体１６の近くの光アセンブリの一部に取り付けられる。さらに、図１及び図２のファン１８は、ブレード３４が上下に動くように取り付けられるが、ブレードが左右に、又は例えば対角線方向など別の軸で動くように、ファンを取り付けることもできる。
【００１４】
ＬＥＤ光アセンブリの作動中、各々のＬＥＤ１４は、熱を生成する。ＬＥＤ１４は、ＬＥＤ１４により生成された熱を熱構造体１６に伝導することを可能にするダイス（見えない）を含む。一方、交流が圧電材料３６に与えられ、ブレード３４を上下に動かし、これにより放熱構造体１６の周りに移動する流体流れがもたらされる。放熱構造体１６の周りの流体流れは、移動する流体がないときより迅速に放熱構造体を冷却する。したがって、ＬＥＤ１４からより多くの熱を放熱し、より低い作動温度をもたらすことができる。さらに、ファンによりもたらされる能動的冷却のために放熱構造体のサイズを減少させることができるので、ＬＥＤ光の設置面積を減少させることができる。また、ファンは、消費者が歓迎しない雑音を多くもたらさないので、静かな能動的冷却が行われる。
【００１５】
ここで図３を参照すると、ＬＥＤ照明アセンブリの一部５０が開示される。ＬＥＤ照明アセンブリは、放熱構造体５６に取り付けられた複数のＬＥＤ５４から構成されたＬＥＤアレイ５２を含む。一対のファン５８が、放熱構造体５６に取り付けられている。代替的に、１つのファンだけを放熱構造体に取り付けることができ、或いは、複数のファンを放熱構造体に取り付けることもできる。各々のＬＥＤ５４は、図１及び図２に関して上述されたＬＥＤ１４に類似している。各々のＬＥＤ５４は、ＬＥＤダイス支持体６０内に取り付けられている。ＬＥＤ５４により生成される熱は、ダイス支持体６０内に取り付けられたダイス（見えない）を通して放熱構造体５６に伝えられる。この実施形態はまた、図１及び図２に関して上述された取付け板２２と類似した取付け板（見えない）を含むこともできる。
【００１６】
放熱構造体５６は、ＬＥＤアレイ５２が取り付けられた第１の面すなわち下面６４を含む。放熱構造体５６はまた、下面６４の反対側の第２の面すなわち上面６６を含む。フィン６８は、上面６６の面とほぼ垂直に上方に突出する。上面６６及びフィン６８の表面積は、たいがいは空気である流体の放熱を助ける流路表面を形成する。フィン６８は、流路表面の表面積を増大させる。
放熱構造体５６はまた、該放熱構造体５６の上面６６から上方に突出する台座７０も含む。台座７０はまた、下面６４から離れるように上面６６の面とほぼ垂直に上方に突出する。台座７０は、図１及び図２に関して前述された台座３０と類似している。各々のフィンの端部と台座との間に隙間７２が定められるように、台座７０が、フィン６８から間隔をおいて配置される。台座７０は、フィン６８より上方に隆起している台座表面７４を含む。
【００１７】
同様に図４を参照すると、ファン５８が、台座表面７４上に取り付けられる。各々のファン５８は、圧電材料７６及びブレード７８を含む。各々のファンは、図１及び図２に関して上述されたファン１８と類似している。各々のブレード７８の取り付けられていない端部８０が、台座７０から離れるように、フィン６８の上方に片持ち状に突出する。各々のブレード７８がフィン６８の各々から間隔をおいて配置されるので、各々のブレード７８が上下に動くとき、取り付けられていない端部８０がフィンに接触しない。また、ファン５８が、フィンの上ではなく、フィン６８の間に配置された場合、台座７０は、上方に延びることができる。図１及び図２に示されるファン１８と同様に、各々のファン５８は、ブレード７８の取り付けられていない端部８０の反対側の、台座７０の上に取り付けられた圧電材料７６を有する。
【００１８】
図５を参照すると、流れ生成装置１１０が、壁１１２内に配置される。流れ生成装置は実質的に渦形状の流れを生成する。しかしながら、流れ生成装置は、ほぼ渦形状の流れの生成に限定されるものでなく、いずれの構成の流体流れをも生成できる何らかの装置を含むものと解釈すべきである。壁１１２は、図１乃至図４に関して説明されたＬＥＤ光アセンブリの放熱構造体の一部を形成することができる。壁１１２はまた、プリント基板のような、ＬＥＤが取り付けられた構造体を含むこともできる。壁は、該壁を冷却するために流体が循環する流路表面１１４を含む。
深さＤ（図６）、幅Ｗ（図６）、及び長さＬを有するほぼ矩形のキャビティ１１６が、壁１１２内に形成される。キャビティ１１６は、離間配置された、ほぼ平行な一対の側壁１１８及び１２０（図６）、及び離間配置された、ほぼ平行な一対の端部壁１２２及び１２４を有する。壁は、流路表面１１４内に開口部１２６を定める。キャビティ１１６の開口部１２６は、可撓性でほぼ矩形のアクチュエータ・ブレード１２８で覆われている。
【００１９】
ブレード１２８は、キャビティ１１６の第１端部で片持ち状支持体によって壁１１２に取り付けられる。代替的に、ブレード１２８は、キャビティ１１６の反対端で壁１１２に取り付けることもできる。ブレード１２８は、例えば、接着剤又はファスナにより何らかの従来の方法で壁１１２に取り付けることができる。ブレード１２８は、２つの層、すなわちステンレス鋼又はアルミニウムのような可撓性材料から形成された可撓性層１３０と、該可撓性層１３０に取り付けられ、かつ、例えば圧電セラミックのような圧電材料から形成された圧電層１３２とを含む。圧電層１３２は、流路表面１１４の最も近くに配置されるが、該圧電層１３２を該流路表面の反対側に配置することもできる。示される例は、単一の圧電層１３２を示すが、ブレード１２８の反対側に第２の圧電層を取り付け、可撓性層１３０が両側に圧電層を有するようにもできる。層１３０及び１３２は、例えば接着層を用いて、互いにしっかりと結合される。また、層１３０及び１３２は、ほぼ同じ長さである。図６に見られるように、ブレード１２８の幅は、キャビティ１１６の幅Ｗより狭い。図５に見られるように、キャビティ１１６の上に延びるブレード１２８の一部の長さは、作動用間隙を設けるように、キャビティ１１６の長さＬより僅かに短くなっている。キャビティ１１６の長さＬ（よってブレード１２８の長さ）を変えることができるが、ブレード及び／又はキャビティが短くなる程、ブレード１２８の先端の撓みが小さくなり、よって流れ生成装置１１０の有効性が低下する。
【００２０】
一実施形態において、キャビティの長さＬは、約１０インチとすることができる。これは、周知の同様の装置より著しく大きい。ブレード１２８の縁部とキャビティ１１６の側壁１１８及び１２０との間に２つの等しくない側部隙間１３４及び１３６が形成されるように、ブレード１２８が、キャビティ１１６に対して中心から外れた位置に取り付けられる。ブレード１２８はまた、制御可能な電源１３８（図５に概略的に示される）にも接続されて、該ブレード１２８に所望の大きさ及び周波数の交流電圧を供給する。
作動中、交流電圧が制御可能な電源からブレード１２８に印加される。圧電層１３２の両端に電位が適用されると、該層１３２は、電圧の極性によって膨張又は収縮する。圧電層１３２は可撓性層１３０に結合されるので、交流電圧の印加が、曲げひずみを引き起こし、これによりブレード１２８が振動する。
【００２１】
一例において、３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）の厚さのステンレス鋼の可撓性層１３０を有する、ほぼ２５．４ｃｍ（１０インチ）の長さ、２５．４ｍｍ（１インチ）の幅、及び３．４３ｍｍ（０．１３５インチ）の厚さのブレード１２８が、構築された。７５Ｈｚ、２００Ｖ ＲＭＳの正弦波入力信号が適用されたとき、ブレード１２８の取り付けられていない端部における先端の撓みの最大振幅は、およそ１．２７ｍｍ（０．５インチ）であった。この先端の撓みは、従来技術の装置より幾分大きいものであり、流れ生成装置１１０の能力を向上させる。さらに、圧電セラミック・アクチュエータの使用は、特に、例えば約７０−８０Ｈｚの高い周波数でこのアクチュエータを確実に作動させることができ、それが流れ生成装置１１０の効率をさらに向上させるという点で、機械アクチュエータのような他の周知の型のアクチュエータに優る利点を有する。機械により作動される装置は、ブレードを正弦波モードの形状に変形させる傾向があるので、これらの周波数で作動するという問題を有しており、このことが、所望の渦パターンの形成を妨げる。この例の圧電により作動されるブレード１２８は、この問題に遭遇しない。
【００２２】
作動中、ブレード１２８はキャビティ１１６に対して外側に移動し、キャビティの体積を増加させるので、周囲の流体は、広い側部隙間１３６からキャビティ１１６内に、遠い距離から引き込まれる。次の下り行程において、ブレード１２８は、キャビティ１１６内に下方に動き、キャビティの体積を減少させ、広い側部隙間１３６を通して流体をキャビティから排出する。図７に示されるように、このブレード１２８を交互に「引いたり」「押したり」することが、矢印Ｂで示される、広い側部隙間１３６の上方の渦流パターンをもたらす。矢印Ｃで示される類似した流れのパターンが、狭い側部隙間１３４の上方に形成されるが、それほどの重要性はない。広い側部隙間１３６は、キャビティ１１６に出入りする流体のための主要な流路を形成し、狭い側部隙間１３４は、振動時のブレード１２８の作動用間隙のための空間を主として形成する。壁１１２の表面の上方の流れが矢印Ａの方向と反対である場合において、流れ生成装置のブレードが外側に延びるときに、該流れ生成装置は、表面から突出する従来の渦生成装置として働き、流れの分離を防止するのを助けるという点で、付加的な利点が存在する。また、端部壁１２４は、軸方向の流れが流路表面１１４の下方の流れるのを防ぐ。
【００２３】
図８を参照すると、合成噴流アクチュエータ１４０が、壁１４２内に配置される。合成噴流も、ファン及び上述の流れ生成装置に類似した流れを生成する。流れ生成装置の本体１４８が、下記に説明される可撓性ヒンジ（ｈｉｎｇｅ）１５６の延長部分である放出導管１５０によってオリフィス板１４４に取り付けられる。オリフィス板１４４は、流路表面１４６と同一平面の壁１４２内に配置される。流れ生成装置本体の内部は、オリフィス板１４４内の１つ又はそれ以上のオリフィス１５２を通して、壁１４２の流路表面１４６と連通している。
【００２４】
流れ生成装置本体１４８は、可撓性ヒンジ１５６で接続された一対の側板１５４から構築される。板１５４は、互いに間隔をおいて、ほぼ平行関係に配置される。可撓性ヒンジ１５６は、各々の板１５４の周囲を囲み、該板１５４の縁部と重なり合うことができる。ヒンジ１５６は、側板１５４を結合させる。したがって、内部の流体キャビティ１５８は、側板１５４及びヒンジ１５６によって囲まれる。各々の側板１５４は、円板、又は例えば矩形のような他の形状にすることができる。この構成は、ベローズに類似している。ヒンジ１５６は、任意の可撓性の流体密封材料から構築することができる。ヒンジはまた、例えば室温の加硫（ＲＴＶ）材料など、接着剤として適した材料から作ることもできる。
オリフィス１５２は、図１２に示されるような一連の穴とすることができ、或いは図１３に示されるような長いスロットの形態を取ることもできる。オリフィス１５２のサイズ、形状、数、及び角度は、特定の用途に適するように変えることができ、例えば、オリフィス１５２は、下流方向に角度を付けることができ（ピッチ角）、或いはオリフィス１５２のアレイは、オリフィス板１４４の面内に角度を付けることができる（ヨー（ｙａｗ）角）。
【００２５】
図９を参照すると、各々の側板は、ほぼ平坦な複数のスタック層から形成される。各々の側板１５４は、バイモルフ圧電構造を形成し、各々の側板は、反対の極性を有する２つの圧電層１６０及び１６２を含む。圧電層１６０及び１６２は、圧電セラミック材料から作られる。電圧がバイモルフ圧電構造に印加されると、反対向きの極性のために、一方の層１６０は膨張し、もう一方の層１６２は収縮する。圧電層１６０及び１６２は互いに平行であるので、円板の側板の場合、電圧の印加により、側板１５４がおおよそ半球形状を取るようになる。反対極性の電圧が印加されると、側板１５４は反対方向に（即ち、凸状の代わりに凹状に）曲がる。この構成は、単一の圧電層に比べて、所定の電圧に及ぼす力を事実上２倍にする。
【００２６】
圧電層１６０及び１６２にひびが入るのを防ぐために、圧電層１６０及び１６２の両側が、薄い保護クラッッド層１６４で覆われる。例示的な実施形態においては、クラッド層１６４は、好ましくは非常に薄いステンレス鋼で作られ、適切な接着剤を用いて圧電層１６０及び１６２に取り付けられる。クラッド層が取り付けられた圧電層１６０及び１６２は、例えば、接着層を用いて、シム（ｓｈｉｍ）１６６と呼ばれる中心層の両側に取り付けられる。シム１６６の材料と厚さは、アクチュエータ本体１４８の作動周波数を所望の範囲に置くのに十分剛性となるように選択される。示される例においては、シム１６６は、アルミニウムで作られる。側板１５４は、制御可能な電源１６８（図４に概略的に示される）に接続されるので、所望の大きさ及び周波数の交流電圧をブレード側板１５４に印加することができる。
【００２７】
作動中、電源からの電圧が側板１５４に印加され、該板を互いに反対方向に撓ませる。すなわち、図９に示される左側の側板１５４が凸状に右に撓むと、右側の側板１５４が凸状に左に撓む。こうして同時に撓むことにより、流体キャビティ１５８の体積が減少され、流体が放出導管１５０を通してオリフィス１５２から排出されるようになる。反対の極性の電圧が印加されると、側板は反対方向に撓む。この動作は、流体キャビティ１５８の体積を増大させ、流体キャビティ１５８内の分圧を減少させ、これにより流体がオリフィス１５２を通して流体キャビティ内に流入される。各々の側板１５４はバイモルフ圧電構造であり、２つの側板があるので、本発明の本実施形態は、同じ全体寸法の単一の圧電装置の４倍の能力を持つ。単に、板、可撓性ヒンジ、又はオリフィスの配向及び／又は構成を変えることによって、流体をオリフィス１５２から多方向に排出することができる。さらに、合成噴流アクチュエータ１４０を用いて、ヒートシンク又は大きな放熱構造体を含まないＬＥＤダイスを直接冷却することができる。
【００２８】
流れ生成装置本体１４８の２つ又はそれ以上の出力を単一の放出領域において結合させることができる。図１０に見られるように、合成噴流アクチュエータ１７０は、例えば、壁１４２に隣接して配置された一対の流れ生成装置本体１４８を含む。ほぼ逆Ｙ字形状を有する放出導管１７２が、２つの流れ生成装置本体１４８に接続する。導管１７２は、図１１により詳細に示される。導管１７２は中空であり、接合部１７８に２つの入口脚１７６に接続された出口脚１７４を有する。導管１７２の出口脚１７４は、オリフィス板１４４内の１つ又はそれ以上のオリフィス１５２を通して、壁１４２の流路表面１４６に通じている。オリフィス１５２は、図１２に示されるように一連の穴としてもよく、或いは図１３に示されるように細長いスロットの形態を取ってもよい。オリフィス１５２のサイズ、形状、数、及び角度は、特定の用途に適するように修正することができる。以下により詳しく説明されるように、オリフィス１５２はまた、図１４及び図１５に示されるパターンに配置することもできる。再び図１０を参照すると、流れ生成装置本体１４８が、制御可能な電源１８０（概略的に示されている）に接続されている。各々の流れ生成装置本体１４８の電力消費は低いので、直列接続された多数の流れ生成装置本体１４８のために１つの電源１８０を用いることが可能であることに注意すべきである。本発明のこの変形は、単一のオリフィス板から、さらに向上した能力を提供する。
【００２９】
１つの代替的なオリフィス板１８４が図１４及び図１５に示される。図１４は、流路表面１４６に面する側を示し、図１５は、流れ生成装置１４８の流体キャビティ１５８に面する側を示す。オリフィス板１８４は、中央穴１８６と、該中央穴１８６の両側に配置された側穴１８８とを有する。各々の穴は、円錐状又はノズル形状の輪郭を有するので、穴の入口１９０の直径は、穴の出口１９２のものより大きい。中央の穴１８６は、入口１９０が流れ生成装置本体１４８の流体キャビティ１５８（図１４）に面するオリフィス板１８４の側部にくるように配置され、２つの側穴１８８は、反対方向に面する。穴は、入口１９０から出口１９２の方向の流れに対する抵抗が、反対方向におけるものより低いので、この構成は、２つの側穴１８８を通って流体キャビティ１５８内に進む空気を流し、中央穴１８６を通って該流体キャビティ１５８から外への流れを流す傾向がある。このことにより、流体キャビティ１５８からの空気流の速度が増大し、合成噴流アクチュエータ１４０の有効性が増大する。
【００３０】
図８に示される構成の代替として、流れ生成装置本体１４８に１つより多い出口を設けることができる。例えば、図１６を参照すると、複数の放出導管１９４を、流れ生成装置本体の周囲の周りに配置することができる。図１６は、これらの付加的な放出導管１９４を、どのように図１６の側面から見られる可撓性ヒンジ１９６内に組み込むことができるかを示す。放出導管１９４の数は、利用可能な物理的空間によって制限されるだけである。付加的な放出導管１９４を加えることによって出口速度が減少されるが、出口速度は、付加的な放出導管１９４の数に比例して減少するわけではない。例えば、６つの出口を有する流れ生成装置本体１４８の出口速度が、依然として、単一の出口をもつ同じ流れ生成装置の出口速度の約９０％であることが、試験で示された。言い換えれば、単一の流れ生成装置本体１４８を用いて、多数のオリフィスのための出力を生成することができる。
【００３１】
例えば、図１７に示されるように、流体流れ生成装置２００が、ＬＥＤアセンブリのヒートシンク２０４を冷却するための複数の開口部２０２を含む。図１８を参照すると、流体流れ生成装置２００は、図８に示されたものと類似した、圧電材料に取り付けられた又は圧電材料を含む一対の可撓性側板２０６を含む。圧電材料は、可撓性側板を動かすために充填される。可撓性ヒンジ２０８は、一対の板を連結し、複数の開口部２０２を含む。また、ヒートシンク２０４は、該ヒートシンクの基部２１４から延びる複数のフィン２１２を含む。フィン２１２は、ヒートシンクの中心から放射状に広がり、流体流れ生成装置２００は、ヒートシンクの中心又はその近くに配置される。こうした構成を用いて、図１乃至図４に関して説明されたアレイに類似したＬＥＤアレイを冷却することができる。
【００３２】
別の代替的な実施形態において、複数の合成噴流が、図１９及び図２０に示される。この実施形態においては、側板２２０は、可撓性ヒンジ２２２によって互いに取り付けられている。可撓性ヒンジは、１つの連続した部品とすることができ、或いは、例えば１つ又は２つの側板を一緒に連結する複数の別個のヒンジ部品を含むこともできる。可撓性ヒンジは、流体流れを様々な場所に向けることができる複数の開口部２２４を含むことができる。例えば、２つの隣接した側板２２０の間の空間に対して、１つの開口部２２４を設けることができる。代替的に、こうした空間に対して、１つより多くの開口部を設けることもできる。
【００３３】
上述の流体流れ生成装置を用いて、ＬＥＤ光アセンブリの一部を冷却することができる。１つの流体流れ生成装置を用いて、１つ又は数個のＬＥＤを冷却することができる。代替的に、多数のＬＥＤシステムが、１つのヒートシンクを用いることができ、上述の流体流れ生成装置を用いて、流れをヒートシンクの表面上に移動させ、ＬＥＤを冷却することができる。
【００３４】
「上部」、「下部」、「上方」等のような用語に関連して実施形態が説明されたが、これらの用語は、図の配向に対して実施形態をよりよく理解するために用いられている。これらの用語は、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、実施形態の特定の構成部品が、それらの位置に関して他の構成部品と比較して説明された。これらの説明は、本発明を説明される構成だけに制限するべきではない。好ましい実施形態が説明され、前述の詳細な説明を読み、理解するときに、他の人々は、明らかに修正及び変更及び変形を思い付くであろう。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物に含まれる限り、こうした修正及び変形の全てを含むものとして解釈されることが意図されている。
【符号の説明】
【００３５】
５４ ＬＥＤ
５６ 放熱構造体
５８ ファン
６０ ＬＥＤダイス支持体
６８ フィン
７０ 台座
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年３月３１日に出願された米国特許仮出願番号第６０／４５９，２３８号の優先権を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）は、一般に、ダイス又はチップ上に取り付けられたダイオードを含む。次に、ダイオードは、カプセル材料で囲まれる。ダイスは、電源から電力を受け取り、その電力をダイオードに供給する。ダイスは、ダイス支持体内に取り付けることができる。より明るいＬＥＤを生成するために、一般に、より多くの電力がＬＥＤに伝えられる。
多数のＬＥＤ照明装置は、通常のフィラメント電球システムと異なる熱伝達経路を通して放熱する。より具体的には、高出力ＬＥＤ照明装置は、カソード（負端子）脚部を介して、又は直接ダイス取付け装置内に取り付けられたダイスを通して、相当量の熱を放熱する。通常の放熱システム（すなわち、大部分の熱をランプの前面レンズに放射するもの）は、高出力ＬＥＤシステムの熱を適切に減少させない。したがって、高出力ＬＥＤシステムは、高い作動温度で作動する傾向がある。
【０００３】
高い作動温度は、ＬＥＤ照明装置の性能を劣化させる。経験的データは、室温において、ＬＥＤ照明装置が５０，０００時間に達する寿命を有するが、９０℃付近における作動により、ＬＥＤの寿命は７，０００時間未満まで減少され得ることを示した。
小さい照明設置面積内で高輝度ＬＥＤを使用するために、ある程度の能動的冷却が、ＬＥＤの温度低下、よって、大きなヒートシンクが不要であることから照明器具全体のサイズの減少を容易にすることができる。ファンを用いるスポット冷却が周知である。周知のファンは、周囲全体の周りに、内部チャンバを定める剛性ハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）に取り付けられた可撓性ダイアフラムを含む。ダイアフラムは、オリフィスを含む。ダイアフラムは、圧電アクチュエータによって作動されるとき、内部チャンバに出入りする。
【０００４】
ダイアフラムがチャンバ内に移動すると、チャンバの体積が減少し、流体が、オリフィスを通してチャンバから排出される。流体がオリフィスを通過するとき、流れは、オリフィスの鋭利な縁部で分離し、渦面を形成し、これが渦になる。これらの渦は、渦自体の自己誘導速度のもとでオリフィスの縁部から離れる。
ダイアフラムがチャンバから外に移動すると、チャンバの体積が増加し、周囲流体がオリフィス内に、よってチャンバ内に引き込まれる。渦は、既にオリフィスの縁部から移動されているので、チャンバ内に運ばれる周囲流体によって影響を受けない。渦がオリフィスから遠ざかるように移動するとき、周囲流体を巻き込むことによって、流体の噴流、すなわち「合成噴流」を合成する。電子パッケージの冷却に有用であることが見出されたのは、これらのファンすなわち合成噴流生成装置である。
【０００５】
周知の圧電ファン及び合成噴流アクチュエータは、これらが単一の可動要素又は撓みが制限された可動要素だけを用いるという点で、比較的限られた能力を有する。上述の欠点を克服する能動的冷却システムを提供することによって、ＬＥＤアセンブリの性能を向上させることが望ましい。
【０００６】
米国特許番号６２５２７２６は、二つのハーメチック・シールされた筐体を有する光学部品をハウジングするためのパッケージを開示している。第１の筐体は前記光学部品用であり、第２の筐体は電気部品および熱放散デバイスである。光学部品は、レーザーダイオード、レンズ、ファイバ、および、その他の光学部品を含む。記載された熱放散デバイスは、ペルチャー冷却デバイスであり、それは、小さな流れを運ぶことで二つの異なる金属の接合器において、熱を吸収する。ＥＰ−Ａ−０３８５０９０は、電気部品を冷却するための流体熱交換器を開示する。ハウジングにある注入口からハウジングにある出口へ向けて流体を注入するために、圧電材料が、複数の可撓性ブレードに接続される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
ＬＥＤ光アセンブリは、ハウジングと、該ハウジング内に配置されたＬＥＤと、放熱構造体と、流体流れ生成装置とを含む。ＬＥＤは、放熱構造体と熱的に連通し、流路表面を有する。流体流れ生成装置がハウジング内に配置され、流路表面の上に流れを生成する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】放熱システムを有するＬＥＤランプ装置の一部の側面斜視図を示す。
【図２】図１のＬＥＤランプ装置の上部斜視図を示す。
【図３】代替的な放熱システムを有するＬＥＤランプ装置の一部の側面斜視図を示す。
【図４】図３のＬＥＤランプ装置の上部斜視図を示す。
【図５】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図６】図５の線６−６に沿って取られた断面図を示す。
【図７】図６のものに類似した断面図を示す。
【図８】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図９】図８の側板の一つの詳細図を示す。
【図１０】ＬＥＤランプ装置のための代替的な放熱システムの概略的な側断面図を示す。
【図１１】放出導管の斜視図を示す。
【図１２】オリフィス板の平面図を示す。
【図１３】代替的なオリフィス板の平面図を示す。
【図１４】代替的なオリフィス板の平面図を示す。
【図１５】図１４のオリフィス板の底面図を示す。
【図１６】放熱システムのための多数の出口構成を示す。
【図１７】別の代替的な放熱システムを有するランプ装置の一部の平面図を示す。
【図１８】線１８−１８で取られた図１７の断面を示す。
【図１９】代替的な流体流れ生成装置の側面図を示す。
【図２０】図１９の平面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図面は、好ましい実施形態を例証するためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明を制限するものと解釈するべきではない。
図１を参照すると、ＬＥＤ光アセンブリの一部１０が、ファン１８が取り付けられた放熱構造体１６に固定された複数のＬＥＤ１４から構成されるＬＥＤアレイ１２を含む。「ファン」という用語は、空気の流れを生成する装置、又は空気を動かすために羽根を回転させるモータを用いる機械だけに限定されるものではない。「ファン」という用語は、空気だけに限られず、流体の流れを生成するための装置を説明するように、より広く用いられる。ＬＥＤアセンブリの一部１０は、半透明のカバー（図示せず）で覆うことができ、及び／又は、取付け具又はハウジング（図示せず）内に配置し、ＬＥＤアセンブリを形成することができる。各々のＬＥＤ１４は、電源（図示せず）から電力を受け取り、その電力をＬＥＤ１４に供給するダイス（見えない）を含む。ダイスは、ダイス支持体２０内に収納される。ＬＥＤにより生成される熱は、ダイスを介して放熱構造体１６に伝えられる。
ＬＥＤの取付け、及びＬＥＤに電力を供給するために用いられる電気接続は、当該技術分野において周知であり、よって更なる説明は不要である。ＬＥＤ１４は、当該技術分野において周知の通常のＬＥＤとすることができる。ＬＥＤ１４は、取付け板２２上に取り付けられる。取付け板２２、よってＬＥＤアレイ１２は、放熱構造体１６の第１の面すなわち下面２４に取り付けられる。
【００１０】
ここで図２も参照すると、放熱構造体１６は、下面２４と、ＬＥＤ１４により生成される熱を放熱するための流体流れ路の表面として働く第２の面すなわち上面２６とを含む。上面は、たいがいは空気である流体が流れて放熱を助ける放熱面を提供する。放熱構造体１６は、ＬＥＤ光アセンブリの一部１０が取り付けられるＬＥＤ照明器具（図示せず）の別個の熱伝導性部品とすることができ、或いはＬＥＤ照明器具の構成部品の１つと一体の熱伝導性部品とすることもできる。放熱構造体はまた、プリント基板又は類似した構造体を含む、ＬＥＤを取り付ける構造体を含むこともできる。
【００１１】
台座３０は、放熱構造体１６の上面２６から上方に、該上面２６と垂直に延びる。台座３０は、放熱構造体１６と同じ幅であるが、該台座が放熱構造体と同じ幅である必要はない。台座３０は、ファン１８が取り付けられる台座面３２を有する。台座面３２は、ファン１８がパタパタ動くのを可能にするように、上面２６から適正な量だけ間隔をおいて配置される。したがって、ファンの長さ及び特性により、台座面３２と上面２６との間の高低差が制限されることがあり、逆もまた同様である。台座３０は、ファンと該台座の間の取付け時に、流体が上面２６とファン１８との間を流れる如何なる流路も含まないことから、中実にすることができる。同様に、台座３０を中空にすることもでき、ファンと該台座の間の取り付け時に、上面２６から垂下する壁が、流体流れを防止することができる。図１及び図２において、台座３０は、放熱構造体１６の端部に配置される。代替的に、放熱構造体１６のより中央に台座３０を配置することもできる。この代替においては、１つのファン又は複数のファンが、台座３０の各々の側面から離れるように、よって上面２６の上方に片持ち状に突出することができる。ファン１８は、台座３０の中央部に取り付けられるように示されるが、台座のどこにでも取り付けることができる。
【００１２】
前述のように、ＬＥＤ１４により生成される熱は、熱伝導によって放熱構造体１６に伝えられる。放熱構造体１６を冷却するために、空気又は他の何らかの流体が、該放熱構造体の表面の上及びその周りに移動される。ファン１８は、こうした流体を放熱構造体１６の上に移動させるのを助ける。
ファン１８は、圧電材料３６に取り付けられたブレード３４を含む。ブレードは、可撓性材料、好ましくは可撓性金属で作られる。ブレード３４の取り付けられていない端部３８は、台座３０から離れるように、上面２６の上方に片持ち状に突出する。ブレードは、台座面３２に取り付けられるので、ブレードが動いているとき、ブレード３４の取り付けられていない端部３８は、上面２６に接触しない。圧電材料３６は、取り付けられていない端部３８の反対側及び台座３０の上方のブレード３４に取り付けられる。代替的に、圧電材料３６は、ブレード３４の長さ又は長さの一部に及ぶことができる。圧電材料３６は、通常の方法で、電源（図示せず）に電気的に接続されたセラミック材料を含む。電気が第１の方向に圧電材料３６に適用されると、圧電材料が膨張し、ブレード３４をある方向に移動させる。次に、電気が他の方向に適用されると、圧電材料が収縮し、ブレード３４を反対方向に移動させる。交流が、ブレード３４を連続的に前後に移動させる。
【００１３】
図１及び２において、ファンが、放熱構造体１６に直接取り付けられている。代替的に、ファン１８は、光アセンブリ又は照明器具の別の構成部品に取り付けることができる。この代替においては、ファンが放熱構造体の外面の周りに空気流を生成できるように、ファン１８は、放熱構造体１６の近くの光アセンブリの一部に取り付けられる。さらに、図１及び図２のファン１８は、ブレード３４が上下に動くように取り付けられるが、ブレードが左右に、又は例えば対角線方向など別の軸で動くように、ファンを取り付けることもできる。
【００１４】
ＬＥＤ光アセンブリの作動中、各々のＬＥＤ１４は、熱を生成する。ＬＥＤ１４は、ＬＥＤ１４により生成された熱を熱構造体１６に伝導することを可能にするダイス（見えない）を含む。一方、交流が圧電材料３６に与えられ、ブレード３４を上下に動かし、これにより放熱構造体１６の周りに移動する流体流れがもたらされる。放熱構造体１６の周りの流体流れは、移動する流体がないときより迅速に放熱構造体を冷却する。したがって、ＬＥＤ１４からより多くの熱を放熱し、より低い作動温度をもたらすことができる。さらに、ファンによりもたらされる能動的冷却のために放熱構造体のサイズを減少させることができるので、ＬＥＤ光の設置面積を減少させることができる。また、ファンは、消費者が歓迎しない雑音を多くもたらさないので、静かな能動的冷却が行われる。
【００１５】
ここで図３を参照すると、ＬＥＤ照明アセンブリの一部５０が開示される。ＬＥＤ照明アセンブリは、放熱構造体５６に取り付けられた複数のＬＥＤ５４から構成されたＬＥＤアレイ５２を含む。一対のファン５８が、放熱構造体５６に取り付けられている。代替的に、１つのファンだけを放熱構造体に取り付けることができ、或いは、複数のファンを放熱構造体に取り付けることもできる。各々のＬＥＤ５４は、図１及び図２に関して上述されたＬＥＤ１４に類似している。各々のＬＥＤ５４は、ＬＥＤダイス支持体６０内に取り付けられている。ＬＥＤ５４により生成される熱は、ダイス支持体６０内に取り付けられたダイス（見えない）を通して放熱構造体５６に伝えられる。この実施形態はまた、図１及び図２に関して上述された取付け板２２と類似した取付け板（見えない）を含むこともできる。
【００１６】
放熱構造体５６は、ＬＥＤアレイ５２が取り付けられた第１の面すなわち下面６４を含む。放熱構造体５６はまた、下面６４の反対側の第２の面すなわち上面６６を含む。フィン６８は、上面６６の面とほぼ垂直に上方に突出する。上面６６及びフィン６８の表面積は、たいがいは空気である流体の放熱を助ける流路表面を形成する。フィン６８は、流路表面の表面積を増大させる。
放熱構造体５６はまた、該放熱構造体５６の上面６６から上方に突出する台座７０も含む。台座７０はまた、下面６４から離れるように上面６６の面とほぼ垂直に上方に突出する。台座７０は、図１及び図２に関して前述された台座３０と類似している。各々のフィンの端部と台座との間に隙間７２が定められるように、台座７０が、フィン６８から間隔をおいて配置される。台座７０は、フィン６８より上方に隆起している台座表面７４を含む。
【００１７】
同様に図４を参照すると、ファン５８が、台座表面７４上に取り付けられる。各々のファン５８は、圧電材料７６及びブレード７８を含む。各々のファンは、図１及び図２に関して上述されたファン１８と類似している。各々のブレード７８の取り付けられていない端部８０が、台座７０から離れるように、フィン６８の上方に片持ち状に突出する。各々のブレード７８がフィン６８の各々から間隔をおいて配置されるので、各々のブレード７８が上下に動くとき、取り付けられていない端部８０がフィンに接触しない。また、ファン５８が、フィンの上ではなく、フィン６８の間に配置された場合、台座７０は、上方に延びることができる。図１及び図２に示されるファン１８と同様に、各々のファン５８は、ブレード７８の取り付けられていない端部８０の反対側の、台座７０の上に取り付けられた圧電材料７６を有する。
【００１８】
図５を参照すると、流れ生成装置１１０が、壁１１２内に配置される。流れ生成装置は実質的に渦形状の流れを生成する。しかしながら、流れ生成装置は、ほぼ渦形状の流れの生成に限定されるものでなく、いずれの構成の流体流れをも生成できる何らかの装置を含むものと解釈すべきである。壁１１２は、図１乃至図４に関して説明されたＬＥＤ光アセンブリの放熱構造体の一部を形成することができる。壁１１２はまた、プリント基板のような、ＬＥＤが取り付けられた構造体を含むこともできる。壁は、該壁を冷却するために流体が循環する流路表面１１４を含む。
深さＤ（図６）、幅Ｗ（図６）、及び長さＬを有するほぼ矩形のキャビティ１１６が、壁１１２内に形成される。キャビティ１１６は、離間配置された、ほぼ平行な一対の側壁１１８及び１２０（図６）、及び離間配置された、ほぼ平行な一対の端部壁１２２及び１２４を有する。壁は、流路表面１１４内に開口部１２６を定める。キャビティ１１６の開口部１２６は、可撓性でほぼ矩形のアクチュエータ・ブレード１２８で覆われている。
【００１９】
ブレード１２８は、キャビティ１１６の第１端部で片持ち状支持体によって壁１１２に取り付けられる。代替的に、ブレード１２８は、キャビティ１１６の反対端で壁１１２に取り付けることもできる。ブレード１２８は、例えば、接着剤又はファスナにより何らかの従来の方法で壁１１２に取り付けることができる。ブレード１２８は、２つの層、すなわちステンレス鋼又はアルミニウムのような可撓性材料から形成された可撓性層１３０と、該可撓性層１３０に取り付けられ、かつ、例えば圧電セラミックのような圧電材料から形成された圧電層１３２とを含む。圧電層１３２は、流路表面１１４の最も近くに配置されるが、該圧電層１３２を該流路表面の反対側に配置することもできる。示される例は、単一の圧電層１３２を示すが、ブレード１２８の反対側に第２の圧電層を取り付け、可撓性層１３０が両側に圧電層を有するようにもできる。層１３０及び１３２は、例えば接着層を用いて、互いにしっかりと結合される。また、層１３０及び１３２は、ほぼ同じ長さである。図６に見られるように、ブレード１２８の幅は、キャビティ１１６の幅Ｗより狭い。図５に見られるように、キャビティ１１６の上に延びるブレード１２８の一部の長さは、作動用間隙を設けるように、キャビティ１１６の長さＬより僅かに短くなっている。キャビティ１１６の長さＬ（よってブレード１２８の長さ）を変えることができるが、ブレード及び／又はキャビティが短くなる程、ブレード１２８の先端の撓みが小さくなり、よって流れ生成装置１１０の有効性が低下する。
【００２０】
一実施形態において、キャビティの長さＬは、約１０インチとすることができる。これは、周知の同様の装置より著しく大きい。ブレード１２８の縁部とキャビティ１１６の側壁１１８及び１２０との間に２つの等しくない側部隙間１３４及び１３６が形成されるように、ブレード１２８が、キャビティ１１６に対して中心から外れた位置に取り付けられる。ブレード１２８はまた、制御可能な電源１３８（図５に概略的に示される）にも接続されて、該ブレード１２８に所望の大きさ及び周波数の交流電圧を供給する。
作動中、交流電圧が制御可能な電源からブレード１２８に印加される。圧電層１３２の両端に電位が適用されると、該層１３２は、電圧の極性によって膨張又は収縮する。圧電層１３２は可撓性層１３０に結合されるので、交流電圧の印加が、曲げひずみを引き起こし、これによりブレード１２８が振動する。
【００２１】
一例において、３．１８ｍｍ（０．１２５インチ）の厚さのステンレス鋼の可撓性層１３０を有する、ほぼ２５．４ｃｍ（１０インチ）の長さ、２５．４ｍｍ（１インチ）の幅、及び３．４３ｍｍ（０．１３５インチ）の厚さのブレード１２８が、構築された。７５Ｈｚ、２００Ｖ ＲＭＳの正弦波入力信号が適用されたとき、ブレード１２８の取り付けられていない端部における先端の撓みの最大振幅は、およそ１．２７ｍｍ（０．５インチ）であった。この先端の撓みは、従来技術の装置より幾分大きいものであり、流れ生成装置１１０の能力を向上させる。さらに、圧電セラミック・アクチュエータの使用は、特に、例えば約７０−８０Ｈｚの高い周波数でこのアクチュエータを確実に作動させることができ、それが流れ生成装置１１０の効率をさらに向上させるという点で、機械アクチュエータのような他の周知の型のアクチュエータに優る利点を有する。機械により作動される装置は、ブレードを正弦波モードの形状に変形させる傾向があるので、これらの周波数で作動するという問題を有しており、このことが、所望の渦パターンの形成を妨げる。この例の圧電により作動されるブレード１２８は、この問題に遭遇しない。
【００２２】
作動中、ブレード１２８はキャビティ１１６に対して外側に移動し、キャビティの体積を増加させるので、周囲の流体は、広い側部隙間１３６からキャビティ１１６内に、遠い距離から引き込まれる。次の下り行程において、ブレード１２８は、キャビティ１１６内に下方に動き、キャビティの体積を減少させ、広い側部隙間１３６を通して流体をキャビティから排出する。図７に示されるように、このブレード１２８を交互に「引いたり」「押したり」することが、矢印Ｂで示される、広い側部隙間１３６の上方の渦流パターンをもたらす。矢印Ｃで示される類似した流れのパターンが、狭い側部隙間１３４の上方に形成されるが、それほどの重要性はない。広い側部隙間１３６は、キャビティ１１６に出入りする流体のための主要な流路を形成し、狭い側部隙間１３４は、振動時のブレード１２８の作動用間隙のための空間を主として形成する。壁１１２の表面の上方の流れが矢印Ａの方向と反対である場合において、流れ生成装置のブレードが外側に延びるときに、該流れ生成装置は、表面から突出する従来の渦生成装置として働き、流れの分離を防止するのを助けるという点で、付加的な利点が存在する。また、端部壁１２４は、軸方向の流れが流路表面１１４の下方の流れるのを防ぐ。
【００２３】
図８を参照すると、合成噴流アクチュエータ１４０が、壁１４２内に配置される。合成噴流も、ファン及び上述の流れ生成装置に類似した流れを生成する。流れ生成装置の本体１４８が、下記に説明される可撓性ヒンジ（ｈｉｎｇｅ）１５６の延長部分である放出導管１５０によってオリフィス板１４４に取り付けられる。オリフィス板１４４は、流路表面１４６と同一平面の壁１４２内に配置される。流れ生成装置本体の内部は、オリフィス板１４４内の１つ又はそれ以上のオリフィス１５２を通して、壁１４２の流路表面１４６と連通している。
【００２４】
流れ生成装置本体１４８は、可撓性ヒンジ１５６で接続された一対の側板１５４から構築される。板１５４は、互いに間隔をおいて、ほぼ平行関係に配置される。可撓性ヒンジ１５６は、各々の板１５４の周囲を囲み、該板１５４の縁部と重なり合うことができる。ヒンジ１５６は、側板１５４を結合させる。したがって、内部の流体キャビティ１５８は、側板１５４及びヒンジ１５６によって囲まれる。各々の側板１５４は、円板、又は例えば矩形のような他の形状にすることができる。この構成は、ベローズに類似している。ヒンジ１５６は、任意の可撓性の流体密封材料から構築することができる。ヒンジはまた、例えば室温の加硫（ＲＴＶ）材料など、接着剤として適した材料から作ることもできる。
オリフィス１５２は、図１２に示されるような一連の穴とすることができ、或いは図１３に示されるような長いスロットの形態を取ることもできる。オリフィス１５２のサイズ、形状、数、及び角度は、特定の用途に適するように変えることができ、例えば、オリフィス１５２は、下流方向に角度を付けることができ（ピッチ角）、或いはオリフィス１５２のアレイは、オリフィス板１４４の面内に角度を付けることができる（ヨー（ｙａｗ）角）。
【００２５】
図９を参照すると、各々の側板は、ほぼ平坦な複数のスタック層から形成される。各々の側板１５４は、バイモルフ圧電構造を形成し、各々の側板は、反対の極性を有する２つの圧電層１６０及び１６２を含む。圧電層１６０及び１６２は、圧電セラミック材料から作られる。電圧がバイモルフ圧電構造に印加されると、反対向きの極性のために、一方の層１６０は膨張し、もう一方の層１６２は収縮する。圧電層１６０及び１６２は互いに平行であるので、円板の側板の場合、電圧の印加により、側板１５４がおおよそ半球形状を取るようになる。反対極性の電圧が印加されると、側板１５４は反対方向に（即ち、凸状の代わりに凹状に）曲がる。この構成は、単一の圧電層に比べて、所定の電圧に及ぼす力を事実上２倍にする。
【００２６】
圧電層１６０及び１６２にひびが入るのを防ぐために、圧電層１６０及び１６２の両側が、薄い保護クラッッド層１６４で覆われる。例示的な実施形態においては、クラッド層１６４は、好ましくは非常に薄いステンレス鋼で作られ、適切な接着剤を用いて圧電層１６０及び１６２に取り付けられる。クラッド層が取り付けられた圧電層１６０及び１６２は、例えば、接着層を用いて、シム（ｓｈｉｍ）１６６と呼ばれる中心層の両側に取り付けられる。シム１６６の材料と厚さは、アクチュエータ本体１４８の作動周波数を所望の範囲に置くのに十分剛性となるように選択される。示される例においては、シム１６６は、アルミニウムで作られる。側板１５４は、制御可能な電源１６８（図４に概略的に示される）に接続されるので、所望の大きさ及び周波数の交流電圧をブレード側板１５４に印加することができる。
【００２７】
作動中、電源からの電圧が側板１５４に印加され、該板を互いに反対方向に撓ませる。すなわち、図９に示される左側の側板１５４が凸状に右に撓むと、右側の側板１５４が凸状に左に撓む。こうして同時に撓むことにより、流体キャビティ１５８の体積が減少され、流体が放出導管１５０を通してオリフィス１５２から排出されるようになる。反対の極性の電圧が印加されると、側板は反対方向に撓む。この動作は、流体キャビティ１５８の体積を増大させ、流体キャビティ１５８内の分圧を減少させ、これにより流体がオリフィス１５２を通して流体キャビティ内に流入される。各々の側板１５４はバイモルフ圧電構造であり、２つの側板があるので、本発明の本実施形態は、同じ全体寸法の単一の圧電装置の４倍の能力を持つ。単に、板、可撓性ヒンジ、又はオリフィスの配向及び／又は構成を変えることによって、流体をオリフィス１５２から多方向に排出することができる。さらに、合成噴流アクチュエータ１４０を用いて、ヒートシンク又は大きな放熱構造体を含まないＬＥＤダイスを直接冷却することができる。
【００２８】
流れ生成装置本体１４８の２つ又はそれ以上の出力を単一の放出領域において結合させることができる。図１０に見られるように、合成噴流アクチュエータ１７０は、例えば、壁１４２に隣接して配置された一対の流れ生成装置本体１４８を含む。ほぼ逆Ｙ字形状を有する放出導管１７２が、２つの流れ生成装置本体１４８に接続する。導管１７２は、図１１により詳細に示される。導管１７２は中空であり、接合部１７８に２つの入口脚１７６に接続された出口脚１７４を有する。導管１７２の出口脚１７４は、オリフィス板１４４内の１つ又はそれ以上のオリフィス１５２を通して、壁１４２の流路表面１４６に通じている。オリフィス１５２は、図１２に示されるように一連の穴としてもよく、或いは図１３に示されるように細長いスロットの形態を取ってもよい。オリフィス１５２のサイズ、形状、数、及び角度は、特定の用途に適するように修正することができる。以下により詳しく説明されるように、オリフィス１５２はまた、図１４及び図１５に示されるパターンに配置することもできる。再び図１０を参照すると、流れ生成装置本体１４８が、制御可能な電源１８０（概略的に示されている）に接続されている。各々の流れ生成装置本体１４８の電力消費は低いので、直列接続された多数の流れ生成装置本体１４８のために１つの電源１８０を用いることが可能であることに注意すべきである。本発明のこの変形は、単一のオリフィス板から、さらに向上した能力を提供する。
【００２９】
１つの代替的なオリフィス板１８４が図１４及び図１５に示される。図１４は、流路表面１４６に面する側を示し、図１５は、流れ生成装置１４８の流体キャビティ１５８に面する側を示す。オリフィス板１８４は、中央穴１８６と、該中央穴１８６の両側に配置された側穴１８８とを有する。各々の穴は、円錐状又はノズル形状の輪郭を有するので、穴の入口１９０の直径は、穴の出口１９２のものより大きい。中央の穴１８６は、入口１９０が流れ生成装置本体１４８の流体キャビティ１５８（図１４）に面するオリフィス板１８４の側部にくるように配置され、２つの側穴１８８は、反対方向に面する。穴は、入口１９０から出口１９２の方向の流れに対する抵抗が、反対方向におけるものより低いので、この構成は、２つの側穴１８８を通って流体キャビティ１５８内に進む空気を流し、中央穴１８６を通って該流体キャビティ１５８から外への流れを流す傾向がある。このことにより、流体キャビティ１５８からの空気流の速度が増大し、合成噴流アクチュエータ１４０の有効性が増大する。
【００３０】
図８に示される構成の代替として、流れ生成装置本体１４８に１つより多い出口を設けることができる。例えば、図１６を参照すると、複数の放出導管１９４を、流れ生成装置本体の周囲の周りに配置することができる。図１６は、これらの付加的な放出導管１９４を、どのように図１６の側面から見られる可撓性ヒンジ１９６内に組み込むことができるかを示す。放出導管１９４の数は、利用可能な物理的空間によって制限されるだけである。付加的な放出導管１９４を加えることによって出口速度が減少されるが、出口速度は、付加的な放出導管１９４の数に比例して減少するわけではない。例えば、６つの出口を有する流れ生成装置本体１４８の出口速度が、依然として、単一の出口をもつ同じ流れ生成装置の出口速度の約９０％であることが、試験で示された。言い換えれば、単一の流れ生成装置本体１４８を用いて、多数のオリフィスのための出力を生成することができる。
【００３１】
例えば、図１７に示されるように、流体流れ生成装置２００が、ＬＥＤアセンブリのヒートシンク２０４を冷却するための複数の開口部２０２を含む。図１８を参照すると、流体流れ生成装置２００は、図８に示されたものと類似した、圧電材料に取り付けられた又は圧電材料を含む一対の可撓性側板２０６を含む。圧電材料は、可撓性側板を動かすために充填される。可撓性ヒンジ２０８は、一対の板を連結し、複数の開口部２０２を含む。また、ヒートシンク２０４は、該ヒートシンクの基部２１４から延びる複数のフィン２１２を含む。フィン２１２は、ヒートシンクの中心から放射状に広がり、流体流れ生成装置２００は、ヒートシンクの中心又はその近くに配置される。こうした構成を用いて、図１乃至図４に関して説明されたアレイに類似したＬＥＤアレイを冷却することができる。
【００３２】
別の代替的な実施形態において、複数の合成噴流が、図１９及び図２０に示される。この実施形態においては、側板２２０は、可撓性ヒンジ２２２によって互いに取り付けられている。可撓性ヒンジは、１つの連続した部品とすることができ、或いは、例えば１つ又は２つの側板を一緒に連結する複数の別個のヒンジ部品を含むこともできる。可撓性ヒンジは、流体流れを様々な場所に向けることができる複数の開口部２２４を含むことができる。例えば、２つの隣接した側板２２０の間の空間に対して、１つの開口部２２４を設けることができる。代替的に、こうした空間に対して、１つより多くの開口部を設けることもできる。
【００３３】
上述の流体流れ生成装置を用いて、ＬＥＤ光アセンブリの一部を冷却することができる。１つの流体流れ生成装置を用いて、１つ又は数個のＬＥＤを冷却することができる。代替的に、多数のＬＥＤシステムが、１つのヒートシンクを用いることができ、上述の流体流れ生成装置を用いて、流れをヒートシンクの表面上に移動させ、ＬＥＤを冷却することができる。
【００３４】
「上部」、「下部」、「上方」等のような用語に関連して実施形態が説明されたが、これらの用語は、図の配向に対して実施形態をよりよく理解するために用いられている。これらの用語は、本発明の範囲を限定するものではない。さらに、実施形態の特定の構成部品が、それらの位置に関して他の構成部品と比較して説明された。これらの説明は、本発明を説明される構成だけに制限するべきではない。好ましい実施形態が説明され、前述の詳細な説明を読み、理解するときに、他の人々は、明らかに修正及び変更及び変形を思い付くであろう。本発明は、特許請求の範囲及びその均等物に含まれる限り、こうした修正及び変形の全てを含むものとして解釈されることが意図されている。
【符号の説明】
【００３５】
５４ ＬＥＤ
５６ 放熱構造体
５８ ファン
６０ ＬＥＤダイス支持体
６８ フィン
７０ 台座
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）と、前記ハウジング内に配置されたＬＥＤ（１４、５４）と、前記ＬＥＤと熱的に連通した放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）とを含むＬＥＤ光アセンブリであって、
圧電材料を含む流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）が、前記放熱構造体の上に流れを生成するために前記ハウジング内に配置されることを特徴とするＬＥＤ光アセンブリ。
【請求項２】
前記流体流れ生成装置が、可撓性材料からなるブレード（３４、７８、１２８）を含み、前記ブレードは、該放熱構造体（１６、５６、１１２）の表面から間隔をおいて配置され、該ブレードの取り付けられていない端部が前記表面に対して移動できるようになったことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記放熱構造体（１６、５６）の前記表面から延びる台座（３０、７０）をさらに含み、前記ブレードが前記台座に取り付けられ、該ブレードが該表面から間隔をおいて配置されるようになったことを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
圧電材料が、少なくともほぼ前記ブレード（３４、７８、１２８）の長さに及ぶことを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記放熱構造体（１１２）が、開口部（１２６）を定めるキャビティ（１１６）を含み、前記流体流れ生成装置が該放熱構造体に取り付けられたブレード（１２８）を含み、前記ブレードが前記開口部の一部を覆うことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記キャビティ（１１６）は、流れが軸方向に流れるのを妨げる端部壁（１２４）によって定められることを特徴とする請求項５のアセンブリ。
【請求項７】
前記放熱構造体（１１２）がプリント基板を含むことを特徴とする請求項５のアセンブリ。
【請求項８】
前記プリント基板の表面から延びる複数のフィン（６８）をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記ブレード（１２８）が、前記開口部（１２６）の少なくとも２つの隣接した側部から間隔をおいて配置されることを特徴とする請求項６に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記流体流れ生成装置（１４８）が、第１の可撓性側板（１５４）と、可撓性のヒンジ（ｈｉｎｇｅ）（１５６）で接続された第２の可撓性側板（１５４）とを含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の可撓性板（１５４）、前記第２の可撓性板（１５４）、及び前記可撓性ヒンジ（１５６）が内部キャビティ（１５８）を定め、前記流体流れ生成装置は、前記内部キャビティと流体連通した放出導管（１７２）を含み、前記放出導管は、前記放熱構造体（１４２）に隣接する遠位端を有することを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記放熱構造体（１４８）がＬＥＤのためのダイスを含むことを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記ハウジング内に配置された複数のＬＥＤ（１４、５４）と、
前記ハウジング内に配置された複数の流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）と、
をさらに備え、
前記流体流れ生成装置の少なくとも１つが、特定のＬＥＤを冷却するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ（１４、５４）が前記放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）における第１の表面の上に配置され、前記流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）が前記放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）における前記第１の表面とは反対の表面の上に取り付けられる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記放熱構造体（１４８）がフィンを含まない、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
ペルチャー冷却モジュールを含まない、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１】
ハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ）と、前記ハウジング内に配置されたＬＥＤ（１４、５４）と、前記ＬＥＤと熱的に連通した放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）とを含むＬＥＤ光アセンブリであって、
圧電材料を含む流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）が、前記放熱構造体の上に流れを生成するために前記ハウジング内に配置されることを特徴とするＬＥＤ光アセンブリ。
【請求項２】
前記流体流れ生成装置が、可撓性材料からなるブレード（３４、７８、１２８）を含み、前記ブレードは、該放熱構造体（１６、５６、１１２）の表面から間隔をおいて配置され、該ブレードの取り付けられていない端部が前記表面に対して移動できるようになったことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記放熱構造体（１６、５６）の前記表面から延びる台座（３０、７０）をさらに含み、前記ブレードが前記台座に取り付けられ、該ブレードが該表面から間隔をおいて配置されるようになったことを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
圧電材料が、少なくともほぼ前記ブレード（３４、７８、１２８）の長さに及ぶことを特徴とする請求項２に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記放熱構造体（１１２）が、開口部（１２６）を定めるキャビティ（１１６）を含み、前記流体流れ生成装置が該放熱構造体に取り付けられたブレード（１２８）を含み、前記ブレードが前記開口部の一部を覆うことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記キャビティ（１１６）は、流れが軸方向に流れるのを妨げる端部壁（１２４）によって定められることを特徴とする請求項５のアセンブリ。
【請求項７】
前記放熱構造体（１１２）がプリント基板を含むことを特徴とする請求項５のアセンブリ。
【請求項８】
前記プリント基板の表面から延びる複数のフィン（６８）をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記ブレード（１２８）が、前記開口部（１２６）の少なくとも２つの隣接した側部から間隔をおいて配置されることを特徴とする請求項６に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記流体流れ生成装置（１４８）が、第１の可撓性側板（１５４）と、可撓性のヒンジ（ｈｉｎｇｅ）（１５６）で接続された第２の可撓性側板（１５４）とを含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記第１の可撓性板（１５４）、前記第２の可撓性板（１５４）、及び前記可撓性ヒンジ（１５６）が内部キャビティ（１５８）を定め、前記流体流れ生成装置は、前記内部キャビティと流体連通した放出導管（１７２）を含み、前記放出導管は、前記放熱構造体（１４２）に隣接する遠位端を有することを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
前記放熱構造体（１４８）がＬＥＤのためのダイスを含むことを特徴とする請求項１０に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記ハウジング内に配置された複数のＬＥＤ（１４、５４）と、
前記ハウジング内に配置された複数の流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）と、
をさらに備え、
前記流体流れ生成装置の少なくとも１つが、特定のＬＥＤを冷却するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記ＬＥＤ（１４、５４）が前記放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）における第１の表面の上に配置され、前記流体流れ生成装置（１８、５８、１１０、１４８、１７０、２００）が前記放熱構造体（１６、５６、１１２、１４２、２０４）における前記第１の表面とは反対の表面の上に取り付けられる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記放熱構造体（１４８）がフィンを含まない、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
ペルチャー冷却モジュールを含まない、請求項１に記載のアセンブリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−２３３８１（Ｐ２０１２−２３３８１Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７８８３９（Ｐ２０１１−１７８８３９）
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【分割の表示】特願２００６−５０７４６６（Ｐ２００６−５０７４６６）の分割
【原出願日】平成１６年３月２３日（２００４．３．２３）
【出願人】（５０３３９９９６４）ルミネイション リミテッド ライアビリティ カンパニー (32)
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【分割の表示】特願２００６−５０７４６６（Ｐ２００６−５０７４６６）の分割
【原出願日】平成１６年３月２３日（２００４．３．２３）
【出願人】（５０３３９９９６４）ルミネイション リミテッド ライアビリティ カンパニー (32)
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ＬＬＣ
【Ｆターム（参考）】
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