JP5597099B2 - 車載ｌｅｄランプ用ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、車に搭載される、発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を発光源とするＬＥＤランプから熱を放熱するためのアルミニウム合金製ヒートシンク（放熱部）に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を発光源とする照明は、低消費電力で長寿命であることから、徐々に市場に浸透し始め、白熱電球や蛍光ランプといった既存の電球から置き換えが進んでいる。

一方、自動車のヘッドライトなどの車載ランプ（車両用灯具、車両用前照灯）においても、例えば特許文献１〜４などに示される通り、このＬＥＤ素子への置き換えが始まっている。ただ、ＬＥＤランプのＬＥＤ素子は熱に非常に弱く、許容温度を超えると発光効率が低下し、また、その寿命にも影響を及ぼすという問題がある。

この問題を解決するためには、ＬＥＤ素子の発光時の熱を周囲に放熱する必要があるため、ＬＥＤランプには大型のヒートシンク（放熱部）が備えられることとなる。このため、ＬＥＤを光源とする車載ランプは、通常、光源としてのＬＥＤが実装されたＬＥＤ基板と、ＬＥＤからの光を光照射方向前方に向かって反射するリフレクタと、これらのＬＥＤ基板及びリフレクタを包囲するハウジングと、ハウジングの開放した前端を閉鎖する透明材料から成るアウターレンズと、ＬＥＤ基板に熱的に接触して配置されたヒートシンクとを含んでいる。

ヒートシンクは、通常、外表面に多くのフィンを形成して放熱面積をかせいでおり、その複雑なフィン形状を、前記ＬＥＤ支持部、リフレクタ、リブ及び連結部などとともに、一体に効率よく製造するために、特許文献２、４などにも開示されている通り、アルミニウム合金ダイキャスト鋳造品が用いられてきた。

特開２００６−１６４９６７号公報 特開２００７−１９３９６０号公報 特開２００７−３２４０４２号公報 特開２００９−２７７５３５号公報

ただ、ヒートシンクとしては、フィンの放熱性を高めるために、最終的には、フィン表面を平滑化して、各種塗装や陽極酸化処理を施す必要がある。これに対して、アルミニウム合金ダイキャスト鋳造品は、バリなどの発生により、平滑な表面を得ることができないため、この平滑な表面を得るための表面研磨や塗装などの表面処理に多大な手間ひまを要する。具体的には、ダイカスト製品表面のバフ仕上げ、洗浄、脱脂、表面の放射率を高めるための表面処理（アルマイト処理あるいは塗装処理）などが必要となる。

また、アルミニウム合金ダイキャスト鋳造品は、放熱部の外表面に多くの放熱フィンを形成するために、複雑な形状の金型が必要になる。更に、放熱性を高めるための各種塗装や陽極酸化処理を施す場合にも、ダイキャスト鋳造品では複雑な形状の塗装を均一に行うことが困難であり、個々のダイキャスト鋳造品ごとにいちいち行う必要があるため生産効率が悪い。

したがって、アルミニウム合金ダイキャスト鋳造品は、ヒートシンクとしては、結果的あるいは総合的に、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、生産性の高い車載用ＬＥＤランプのヒートシンクを提供することにある。

上記目的達成のために、本発明の車載ＬＥＤランプ用のヒートシンクの要旨は、アルミニウム合金薄板がコルゲート加工によって連続する波形の放熱フィン形状に成形されてなり、前記波形にこの波形の一部が潰し加工されて成形された段部が設けられ、この段部がＬＥＤ素子の取り付け部となっていることである。

ここで、前記アルミニウム合金薄板の表面に放射率εが０．７以上であるプレコート処理がコルゲート加工前に予め施されていることが好ましい。

アルミニウム合金薄板を素材とし、この板のコルゲート加工により、連続する波形である放熱フィンの全体形状を作成することにより、薄肉で間隔の比較的狭いフィンを多数設けることができ、伝熱面積の増加および放熱性の向上が図れる。

また、アルミニウム合金薄板を素材とすることで、放熱性を高める処理として、コルゲート加工前に、素材アルミニウム合金薄板に予めプレコート処理を施しておくことが可能になる。このため、従来のアルミニウム合金ダイキャスト鋳造品製ヒートシンクで必要であった、ダイカスト表面のバフ仕上げ，洗浄工程，脱脂工程，表面の放射率を高めるための表面処理工程などが省略、あるいは短縮でき、ヒートシンクの製造コストの大幅な低減が可能になる。

更に、素材板のコルゲート加工によれば、ＬＥＤ素子を取付ける部品取付部や、剛性を向上させる補強のための凹凸などの段部を、連続する波形である放熱フィンの全体形状の成形とともに、この成形工程に連続する潰し加工などによる一連のコルゲート加工工程によって形成できる。この際、これら段部を部分的にフィンの幅よりも広幅に設計して、成形することも可能である。したがって、ＬＥＤ素子の取付面積を確保しつつ、多数のフィンを設けて放熱性を確保したヒートシンクを、同一の素材板から一体に製造することが出来る。

本発明のヒートシンクの一態様を示す斜視図である。 図１の平面図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 図３の平面図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図である。 本発明のヒートシンクを車載ＬＥＤランプに取り付けた態様を示す説明図である。 放射率測定装置の概要を示す説明図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は本発明のヒートシンクの一態様を示す斜視図で、図２は図１の平面図である。また、図３も本発明のヒートシンクの別の態様を示す斜視図で、図４は図３の平面図である。

これら図１〜４は、黒色塗料のプレコート処理９が表面に予め施された、素材アルミニウム合金薄板１を、コルゲート加工することによって、波形２、３が連続する放熱フィン形状に成形されてなるヒートシンクを示している。ここで、コルゲート加工とは、周知の通り、平坦な板あるいは平滑な管の波形加工の意味である。黒色塗料のプレコート処理９は、ごく薄い表面塗膜ゆえに、９の番号のみで示すが、アルミニウム合金薄板１の全表面（両面）あるいは必要な表面部分（片面を含む）に予め塗装（被覆）される。

図１〜４のヒートシンクは、いずれも波形２、３が交互に連なってつながっている。ただ、図３、４の波形２、３には、ヒートシンク長手方向（図の左右方向）の中央部に段差が設けられており、この中央部を境に、左右の波形のレベルが互いに段違いになっている。ヒートシンクの車載ＬＥＤランプにおけるスペースの設計やスペースの都合に合わせて、このような段差を設けるなどして、連続する波形２、３の全体形状を、図１、２の全体が矩形形状のような均一な形状だけでなく、図３、４のような異形な形状とすることも、コルゲート加工では可能である。

放熱フィン波形形状：
図１〜４においては、同じ幅と高さの放熱フィン＝波形２、３が、交互に同じピッチにて連続的に繰り返されている。ここで、波形２、３は、互いにつながり、その凹凸の向きが１８０度異なる凸部同士あるいは凹部同士のことであり、より正確には連続する波形の要素あるいは波形の単位であるが、本明細書では単に波形２、３という。

ここで、波形２の幅ａ、波形３の幅ｂ、波形２、２あるいは波形３、３同士のピッチｐ、波形２、３（ヒートシンク）の幅ｗ、高さｈ、連続する波形２、３（ヒートシンク）の長さｌなどは、取り付ける車載ＬＥＤランプの仕様に合わせて、要求されるヒートシンクの放熱特性を満足するように設計される。

今、普通乗用車の車載ＬＥＤランプの仕様から、これらの使用範囲を例示すると、波形２の幅ａ、波形３の幅ｂは１〜２０ｍｍ、波形２、２あるいは波形３、３同士のピッチｐは４〜４０ｍｍ、波形２、３（ヒートシンク）の幅ｗは５０〜２５０ｍｍ、高さｈは１０〜６０ｍｍ、連続する波形２、３（ヒートシンク）の長さｌは３０〜２５０ｍｍの範囲である。また、これらの波形２、３の設計の限界値（上下限値）は、素材アルミニウム合金薄板１のコルゲート加工による波形の成形限界の側からも規定される。すなわち、これらの波形２、３の設計値が小さすぎる場合や、逆に大きすぎる場合には、コルゲート加工自体ができない。

プレコート処理：
図１〜４において、素材アルミニウム合金薄板１の全表面には、放射率εが０.７以上の、放熱量が高い、黒色塗料のプレコート処理（塗装皮膜）９が予め施されている。これによって、放熱フィン＝波形２、３（ヒートシンク）としての、輻射による伝達熱量あるいは輻射放熱量を増大することができる。

また、このプレコート処理は、素材アルミニウム合金薄板１のコルゲート加工における潤滑剤の役割も果たすために、放熱フィン＝波形２、３の成形性を向上する効果もあるため、本発明ではコルゲート加工前に、予め素材アルミニウム合金薄板１に黒色塗料のプレコート処理を行う。

素材アルミニウム合金薄板の表面に塗布するプレコート処理（塗装皮膜）の放射率εは、放熱フィン＝波形２、３の熱放射率を高めるために０．７以上とする。この放射率εが０．７未満では、前記潤滑効果はあるが、放熱フィン＝波形２、３（ヒートシンク）としての、輻射による伝達熱量あるいは輻射放熱量が低下して、塗装しない裸のアルミニウム合金薄板１と大差なくなる。

この放射率εとは、実際の物体の熱放射の理論値（理想的な熱放射体である黒体の熱放射）に対する割合であって、実際の測定は、特開２００２−２３４４６０号公報に記載された方法でもよく、宇宙航空研究開発機構が開発したポータブル放射率測定装置によって測定してもよい。前記公報に記載された測定方法を以下に説明する。放射率εは、図１２の放射率測定装置によって測定する。図１２において、放射率測定装置３０は、下面に黒色塗料層３２ を被覆した電気ヒータ３１ と、この電気ヒータ３１の下部に一定距離をおいて配置した冷却床３４と、これらを周囲から囲む断熱層３３とから基本的に構成される。そして、冷却床３４上に、ヒートシンク１の測定対象の波形２外面を上側に配置して 、電気ヒータ８ から放射される一定の熱量Ｑ に対する、ヒートシンク1 の温度と温度上昇量 (通過熱量Ｑ１) を、投入電力または冷却床３４中の冷却水３５の温度上昇量 (冷却水量と上昇温度) から測定して、次式１ により、ヒートシンク1の波形２外面の本発明で規定する放射率ε2 を測定する。

(但し、Q1;Al合金ヒートシンク1の通過熱量、σ; ステファンボルツマン定数 5.67×10-8W/m2K4、T1; 黒色塗料層9 の温度、T2;ヒートシンク1 の温度、ε1;黒色塗料層３２ の放射率 0.9、ε2; ヒートシンク1の波形２外面の放射率)

段部の形成：
本発明では、好ましい態様として、前記放熱フィン＝波形２、３の一部に、この波形２、３に潰し加工を施して、段部（段差、凹凸）を設ける。この段部は、車載ＬＥＤランプ用ヒートシンクとして取り付けの際の、部品取付部や素子の取付け部となる。また、この段部は、例えば図２に記載するヒートシンクの左右側の矢印で示すような，紙面垂直な軸まわりの外力（曲げモーメント）に対して、ヒートシンクとしての剛性を向上させるための凹凸形状を提供する。

図５のヒートシンクは、波形２、３が交互に連なってつながっている基本形状は図１、２と同じであるが、波形のうちの一部の波形２ａと、これに隣り合う波形３ａ、更には波形２ａから数ピッチ分離れた波形２ｂを、他の標準的な波形２、３の幅ａ、ｂよりも、より広幅のａ１、ｂ１、ａ２に各々成形している。その上で、これらの波形２ａ、２ｂ、３aに潰し加工を施して、段部（凹部）４ａ、４ｂを設けている。そして、この段部４ａ、４ｂに、車載ＬＥＤランプ用ヒートシンクとしての部品や素子２０ａ、２０ｂを各々取付けている。このような広幅の波形や段部、あるいは幅は、必要な部品や素子２０ａ、２０ｂの取り付け個数や大きさ、形状、位置など、あるいは剛性などの補強程度に応じて適宜選択される。ここで、部品や素子２０ａ、２０ｂとは具体的にはLED素子に電力を供給するLED基盤及び、その上に装着されたLED素子である。

これら段部の成形は、後述する段部も含めて、波形２、３のコルゲート加工による成形後に、オフラインなどの別工程にて行わずとも、波形における、これら段部の成形箇所を、金型を用いて、潰し加工などして行うが、コルゲート加工に付随する加工として、一連のコルゲート加工工程中で成形ができる。

このような、補強例の他の態様を、ヒートシンクを横に寝かした形で、図６〜図９に示す。因みに、これらの図のヒートシンクは、波形２、３が交互に連なってつながっている基本形状は図１、２と同じである。

図６では、波形２、３のうち、各波形３の途中位置（この場合は中央位置）に、段部５ｂのような凸部を、波形２の面と同じ高さ（レベル）に設けて、波型の横方向に連続的に段部を設けた形にして補強し、波形２、３＝ヒートシンクの剛性を向上させている。このような段部５ｂの設ける位置や個数、高さは必要に応じて選択される。この段部の成形は、波形２、３のコルゲート加工による成形後に、波形３における段部５ｂの成形箇所を、波形２の方向に部分的に押し上げる成形加工を行う。

図７では、各波形３の途中位置（この場合は中央位置）に段部５cのような凸部を、各波形２の途中位置（この場合は中央位置）に段部４cのような凹部を、連続的に設けて補強している。そして、これら段部５cの凸部と段部４cの凹部との面を同じ高さ（レベル）にして、波型の横方向に連続的に段部を設けた形に補強している。このような段部５c、段部４cを設ける位置や個数、高さは必要に応じて選択される。これらの段部の成形は、波形２、３のコルゲート加工による成形後に、波形３における段部５ｃの成形箇所を、波形２の方向に部分的に押し上げる一方で、波形２における段部４ｃの成形箇所を、波形３の方向に部分的に潰す（押し下げる）成形加工を行う。

図８（ａ）では、波形２、３（ヒートシンク）の周縁部（四周囲）に、各々段部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄのような平坦なフランジを設けている。これらの段部の成形は、波形２、３のコルゲート加工による成形後に、図８（ｂ）に図８（ａ）のX-X’断面を示す通り、周縁部（四周囲）における波形２を潰す（押し下げる）、並びに波形３を部分的に潰す（押し上げる）成形加工を行う。これらリブあるいはフランジを設けるのはヒートシンクとハウジングとの取り付けを容易にするためである。

図９では、波形２の途中位置（この場合は中央位置）を四角に切り欠いた段部７のような凹部を設けるが、その際に、波形２の上部（上辺）部分を切り放なさずに、四角な切片８ａとして切り残しておき、この切片８ａを８ｂのように直角に折り曲げている。これら切片８ａ、８ｂを設けるのは、段差を設けることなく、素子２０や必要な部品を取り付けるためである。

図１０は、波形２、３（ヒートシンク）の裏面に補強用のブラケット２１を、接着剤により貼り付けた例を示す。図１０（ａ）は波形２、３（ヒートシンク）の裏面全面に一体のブラケット２１を貼り付け、図１０（ｂ）は波形２、３（ヒートシンク）の裏面に、２分割したブラケット２１、２１を各々貼り付けている。図１０（ｃ）は波型２、３（ヒートシンク）の両端に略コの字型断面を持つブラケット２１を取り付けた場合を示しており、ブラケット２１には他部品の取り付けに用いるフランジ部２２、２２が設けられている。なお図１０(a)(b)(c)においてブラケット２１、２２の材質としてはアルミ合金あるいは樹脂材料を用いることができる。

車載ＬＥＤランプへのヒートシンクの装着：
図１１は、車載ＬＥＤランプへのヒートシンクの装着の態様を示している。図１１ａはＬＥＤランプの縦断面を示し、図１１ｂは図１１ａの断面Y-Y’における上面視である。図１１において、車載ＬＥＤランプ（車両用灯具）１０は、光源としてのＬＥＤ１１ａが実装されたＬＥＤ基板１１と、ＬＥＤ１１ａからの光を光照射方向前方に向かって反射するリフレクタ１２と、これらのＬＥＤ基板１１及びリフレクタ１２を包囲するハウジング１３と、ハウジング１３の開放した前端を閉鎖する透明材料から成るアウターレンズ１４と、ＬＥＤ基板１１に熱的に接触して配置されたヒートシンク１とを含んでいる。

ここで、本発明の、放熱フィン形状として連続する波形２、３形状に成形されてなるヒートシンク１は、段部７a、７bを有している。また段部７aの上面には上記ＬＥＤ基盤１１の下面がシート状の熱伝導部材１５ａを介して熱的に接続されている。また段部７ｂの下面にはリフレクタ１２の上面が接続されている。

一方、上記ＬＥＤ基板１１は、ヒートシンクの段部７の中央部に配置されていて、その上面にＬＥＤ１１ａが実装されている。上記リフレクタ１２は、樹脂材料から成形されていて、ＬＥＤ基板１１上のＬＥＤ１１ａ付近に焦点を有する放物面系の反射面を備えている。

上記ハウジング１３は前面側（アウターレンズ１４の装着側）が開放している。また、その後面側（図の右側）に開口部１３ａを備えており、この後面側開口部１３ａを密閉するように、上記ヒートシンク１が取り付けられている。

このような構成の車載ＬＥＤランプ１０によれば、上記ＬＥＤ基板１１上のＬＥＤ１１ａが駆動されて発光し、このＬＥＤ１１ａから出射した光が、リフレクタ１２により反射して、アウターレンズ１４を介して光照射方向前方に向かって照射される。ここで、上記ＬＥＤ１１ａから発生した熱は、上記ＬＥＤ基板１１から熱伝導部材１５ａを介してヒートシンク１に伝達され、ヒートシンク１からハウジング１３の外側に放出される。これにより、ＬＥＤ１１ａの温度上昇が抑制されるようになっている。

素材アルミニウム合金板：
本発明ヒートシンクで用いる素材アルミニウム合金板は、板厚が２ｍｍ〜０．４ｍｍの範囲の薄板として、前記ヒートシンク１形状への成形が可能であり、コルゲート加工性に優れることが最も重要である。この他、伝熱性や耐食性に優れるというヒートシンクの要求特性からすると、できるだけ合金元素量の少ない、ＡＡ乃至ＪＩＳ規格に規定される乃至含まれる、純アルミニウム系の１０００系が好ましい。因みに、本発明ではこれら純アルミニウム系も含めて、アルミニウム合金板と表現している。ただ、前記剛性の確保などの強度の面からは、ＡＡ乃至ＪＩＳ規格に規定される乃至含まれる、３０００系などから選択されるアルミニウム合金材料が適宜選択される。これらのアルミニウム合金板は、鋳造（ＤＣ鋳造法や連続鋳造法）、均質化熱処理、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延、溶体化および焼入れ処理などの調質処理などの通常の各製造工程にて製造される。

本発明によれば、アルミニウム合金薄板を素材とし、この板のコルゲート加工により、連続する波形である放熱フィンの全体形状を作成することにより、生産性の高いヒートシンクを提供できる。このため、車載用ＬＥＤランプのヒートシンクに好適である。

１：ヒートシンク、２、３：波形、４、５、６、７：段部、８：切片、９：プレコート処理皮膜、１０：車載ＬＥＤランプ、２０：素子、２１：樹脂ブラケット

Claims (2)

1. アルミニウム合金薄板がコルゲート加工によって連続する波形の放熱フィン形状に成形されてなり、前記波形にこの波形の一部が潰し加工されて成形された段部が設けられ、この段部がＬＥＤ素子の取り付け部となっている車載ＬＥＤランプ用のヒートシンク。
2. 前記アルミニウム合金薄板の表面に放射率εが０．７以上であるプレコート処理が前記コルゲート加工前に予め施されている請求項１に記載の車載ＬＥＤランプ用ヒートシンク。

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