JP5771388B2

JP5771388B2 - Ｌｅｄ照明装置

Info

Publication number: JP5771388B2
Application number: JP2010265935A
Authority: JP
Inventors: 幸彦太田
Original assignee: Showa Denko Aluminum Trading KK
Current assignee: SDAT Co Ltd
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2030-11-30
Also published as: JP2012115172A

Description

この発明は、たとえば植物工場、野菜工場、育苗装置などの人工光を光源とした植物栽培装置に用いられるＬＥＤ照明装置に関する。

この明細書および特許請求の範囲において、「アルミニウム」という用語には、「純アルミニウム」と表現する場合を除いて、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。また、この明細書および特許請求の範囲において、「純アルミニウム」という用語は、純度９９．００質量％以上の純アルミニウムを意味するものとする。

植物栽培装置に用いられるＬＥＤ照明装置として、板状放熱部材と、基板、基板に実装されたＬＥＤチップ、ＬＥＤチップを囲むように設けられたリフレクタを有し、かつ放熱部材の片面に取り付けられたＬＥＤユニットと、放熱部材におけるＬＥＤユニットが取り付けられた側に、放熱部材と間隔をおいて配置された透光板と、放熱部材および透光板の周縁部間に配置され、かつ放熱部材および透光板の周縁部間の隙間を塞ぐスペーサとを備えており、ＬＥＤユニットの基板がベースにろう付され、ベースの外面、すなわちＬＥＤユニットが取り付けられた側と反対側の面に、放熱フィンが設けられたり、あるいは冷媒流通配管が取り付けられたものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、特許文献１記載のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤユニットの基板がベースにろう付され、ベースの外面、すなわちＬＥＤユニットが取り付けられた側と反対側の面に、放熱フィンが設けられたり、あるいは冷媒流通配管が取り付けられているので、コストが高くなるという問題がある。

特開２０００−２０７９３３号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載のＬＥＤ照明装置に比べてコストの安いＬＥＤ照明装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)板状放熱部材と、基板、基板に実装されたＬＥＤチップ、およびＬＥＤチップを囲むように設けられたリフレクタを有し、かつ放熱部材の片面に取り付けられたＬＥＤユニットと、放熱部材におけるＬＥＤユニットが取り付けられた側に、放熱部材と間隔をおいて配置された透光板と、放熱部材および透光板の周縁部間に配置され、かつ放熱部材および透光板の周縁部間の隙間を塞ぐスペーサとを備えているＬＥＤ照明装置であって、
放熱部材が積層された複数枚のアルミニウム製熱伝導板からなり、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も外側の熱伝導板の機械的強度が、残りの熱伝導板の機械的強度よりも高くなっており、ＬＥＤユニットが、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も内側の熱伝導板に取り付けられているＬＥＤ照明装置。

2)放熱部材の最も外側の熱伝導板が、Ｓｉ：０．２〜０．８wt％、Ｍｇ：０．３〜０．９wt％、Ｆｅ：０．３５wt％以下およびＣｕ：０．２０wt％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金よりなるものであって、上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊を均質化処理した後、溶体化処理および焼入れ処理を行うことなく、熱間粗圧延の任意のパス工程において、パス前の材料温度を３５０〜４４０℃、パス上がりの材料温度を２５０〜３４０℃とするとともに、上がり板厚を１０mm以下に圧延し、前記任意のパス後の冷却速度を５０℃／min以上とし、次いで熱間仕上げ圧延し、さらに３０％以上の圧下率で冷間圧延することにより製造された板であり、残りの熱伝導板が、純アルミニウムからなる板である上記1)記載のＬＥＤ照明装置。

3)放熱部材が、２枚の熱伝導板からなる上記1)または2)記載のＬＥＤ照明装置。

4)放熱部材の最も外側の熱伝導板に、スペーサが一体に形成されている上記1)〜3)のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。

5)ＬＥＤユニットのリフレクタが、基板と別個に形成されるとともに、基板におけるＬＥＤチップが実装された面側に配置されており、リフレクタに、ＬＥＤチップを通しかつ内周面が反射面となされた貫通穴が形成され、基板およびリフレクタが、基板が放熱部材の最も内側の熱伝導板に熱接触するように、当該熱伝導板に取り付けられている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。

6)ＬＥＤユニットが縦長状であり、ＬＥＤユニットの幅方向の両側部分が、それぞれ取付部材により放熱部材に機械的に取り付けられている上記1)〜5)のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。

7)ＬＥＤユニットの基板が長方形状であるとともに、複数のＬＥＤチップが基板の長さ方向に間隔をおいて基板に実装されており、ＬＥＤユニットが、ＬＥＤチップと対応する複数位置において、取付部材により放熱部材に機械的に取り付けられている上記6)記載のＬＥＤ照明装置。

8)放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板が、各ＬＥＤユニットの両側でかつ各ＬＥＤユニットの長さ方向の中間部においてねじ止めされている上記6)または7)記載のＬＥＤ照明装置。

上記1)〜8)のＬＥＤ照明装置によれば、放熱部材が積層された複数枚のアルミニウム製熱伝導板からなり、ＬＥＤユニットが、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も内側の熱伝導板に取り付けられているので、ＬＥＤユニットから放熱部材の最も内側の熱伝導板に伝えられた熱は、当該熱伝導板全体に広がった後に外側の他の熱伝導板に伝わり、最も外側の熱伝導板から外部に放熱される。したがって、ＬＥＤユニットにおけるＬＥＤチップのＬＥＤの耐久性を向上しうる上で十分な放熱性能を得ることができる。したがって、ＬＥＤユニットを取り付けるベースの外面に放熱フィンが設けられたり、あるいは冷媒流通配管が取り付けられている特許文献１記載のＬＥＤ照明装置に比べてコストが安くなる。

しかも、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も外側の熱伝導板の機械的強度が、残りの熱伝導板の機械的強度よりも高くなっているので、放熱部材が高強度となり、ひいてはＬＥＤ照明装置全体の強度が向上する。

上記2)のＬＥＤ照明装置によれば、放熱部材の最も外側の熱伝導板の熱伝導性を、純アルミニウムからなる他の熱伝導板の熱伝導性とほとんど等しくした上で、機械的強度を高くすることができる。しかも、放熱部材の最も外側の熱伝導板の加工性が優れたものになる。

上記4)のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤ照明装置の組立作業が簡単になる。しかも、スペーサの強度が向上する。

上記5)のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤユニットの放熱部材への取付作業が簡単になる。

上記7)のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤユニットの基板が長方形状であるとともに、複数のＬＥＤチップが基板の長さ方向に間隔をおいて基板に実装されており、ＬＥＤユニットが、ＬＥＤチップと対応する複数位置において、取付部材により放熱部材に機械的に取り付けられているので、ＬＥＤチップのＬＥＤから発せられる熱が、基板を介して効率良く放熱部材に伝えられる。

上記8)のＬＥＤ照明装置によれば、ＬＥＤチップのＬＥＤから発せられる熱が、効率良く放熱部材の最も外側の熱伝導板に伝えられる。

この発明のＬＥＤ照明装置の全体構成を示す透光板を省略した底面図である。図１の部分拡大図である。図１のＡ−Ａ線拡大断面図である。図１のＬＥＤ照明装置を備えた植物栽培装置を示す概略図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、図１の左右を左右といい、図１の下側を前、これと反対側を後というものとする。また、図３の上下を上下というものとする。

図１はこの発明のＬＥＤ照明装置の全体構成を示し、図２および図３はその要部の構成を示す。また、図４は図１のＬＥＤ照明装置を備えた植物栽培装置を示す。

図１〜図３において、照明装置(1)は、方形板状の放熱部材(2)と、放熱部材(2)の片面（下面）に取り付けられた複数のＬＥＤユニット(3)と、放熱部材(2)におけるＬＥＤユニット(3)が取り付けられた側に、放熱部材(2)と間隔をおいて配置された方形状の透光板(4)と、放熱部材(2)および透光板(4)の周縁部間に配置され、かつ放熱部材(2)および透光板(4)の周縁部間の隙間を塞ぐスペーサ(5)とを備えている。

放熱部材(2)は、積層された２枚のアルミニウム製熱伝導板(6)(7)からなる。ここで、放熱部材(2)を構成する２枚の熱伝導板のうち透光板(4)側（下側）に配置された熱伝導板(6)を第１熱伝導板といい、他方（上側）の熱伝導板(7)を第２熱伝導板というものとする。第１熱伝導板(6)は純アルミニウム、たとえばJIS Ａ１０５０からなることが好ましい。第２熱伝導板(7)の機械的強度は、第１熱伝導板(6)の機械的強度よりも高くなっていることが好ましい。第２熱伝導板(7)は、たとえばＳｉ：０．２〜０．８wt％、Ｍｇ：０．３〜０．９wt％、Ｆｅ：０．３５wt％以下およびＣｕ：０．２０wt％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金よりなるものであって、上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊を均質化処理した後、溶体化処理および焼入れ処理を行うことなく、熱間粗圧延の任意のパス工程において、パス前の材料温度を３５０〜４４０℃、パス上がりの材料温度を２５０〜３４０℃とするとともに、上がり板厚を１０mm以下に圧延し、前記任意のパス後の冷却速度を５０℃／min以上とし、次いで熱間仕上げ圧延し、さらに３０％以上の圧下率で冷間圧延することにより製造されている。上述したような組み合わせの場合、第２熱伝導板(7)の熱伝導性と第１熱伝導板(6)の熱伝導性とはほとんど等しくなる。

第２熱伝導板(7)の材料となるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金組成について、各元素の添加意義および含有量の限定理由は次のとおりである。

ＭｇおよびＳｉは強度の発現に必要な元素である。Ｍｇ含有量が０．３wt％未満、あるいはＳｉ含有量が０．２wt％未満では十分な強度を得ることができない。一方、Ｍｇ含有量が０．９wt％、Ｓｉ含有量が０．８wt％を超えると、熱間圧延での圧延負荷が高くなって生産性が低下するとともに、耳割れが大きくなって途中工程でトリミングが必要となる。Ｍｇ含有量の好ましい下限値は０．３５wt％、上限値は０．５５wt％である。また、Ｓｉ含有量の好ましい下限値は０．３２wt％、上限値は０．６０wt％である。

ＦｅおよびＣｕは、多量に含有すると耐食性が低下して合金板としての実用性に欠けるため、含有量をＦｅ：０．３５wt％以下、Ｃｕ：０．２０wt％以下に規制する必要がある。好ましいＦｅ含有量は０．２５wt％以下、好ましいＣｕ含有量は０．１０wt％以下である。

前記範囲の合金組成により、純アルミニウムと同等の優れた熱伝導性を有する。また、切削、折曲げ、絞り、穴明け等の成形加工性、あるいは溶接、摩擦攪拌接合、超音波接合等の接合加工性に優れる。

また、第２熱伝導板(7)の製造工程において、均質化処理後に所定の条件で圧延することによりＭｇ_２Ｓｉを微細かつ均一に析出させ、溶体化処理および焼入れしたと同等の効果を得ることができる。

均質化処理条件は特に限定されず、常法に従って５００℃以上で２時間以上行うことが好ましい。

熱間粗圧延では、任意のパス工程において所定の温度条件で圧延する間の温度降下により焼入れと同等の効果を得る。従って、パス前の材料温度は，溶体化処理に準じてＭｇおよびＳｉが固溶された状態を保持しうる温度が必要であり、３５０〜４４０℃とする。３５０℃未満ではこの時点でＭｇ_２Ｓｉが粗大析出物となり、その後の焼入れ効果が得られない。また、温度が低いためにその後のパスの圧延性が著しく悪くなるとともに、パス上がり温度が低くなり過ぎて表面品質が低下する。一方、４４０℃を超えるとパス上がりで材料温度が十分低下せず焼入れの効果が不足する。パス前温度の好ましい下限値は３８０℃ であり、好ましい上限値は４２０℃である。また、焼入れ効果を得るために、パス間の冷却速度は５０℃／min 以上が好ましく、パス上がり温度は２５０〜３４０℃が好ましい。なお、パス上がり温度を上記温度範囲内とするためには、熱間粗圧延上がりで、直ちに高圧シャワー水冷等の強制冷却を行っても良い。また、パス圧延速度は、５０ｍ／min 以上が好ましい。さらに、このパス間に焼入れと同等の冷却効果を得るために、上がり板厚が１０mm以下となるようにする必要がある。１０mmを超えると水冷工程を加えても上述した焼入れに十分な温度にまで冷却することが困難なためである。好ましい板厚は８mm以下である。

なお、熱間粗圧延は通常１０パス以上を行うが、焼入れ効果を得るための上記条件でのパスはどの段階で行っても良い。しかし、パス上がり板厚が１０mm以下とすることを要件としているため、最終パスに行うことが多くなる。次いで、最終パスの前のパスが多くなる。但し、最終パス以外で行う場合、その後のパスの圧延条件は、材料温度２５０〜３４０℃で行う必要がある。２５０℃未満では圧延の負荷が大きくなって圧延がしにくくなるとともに、温度が低くなるとＡｌと水分が反応して表面が腐食する等変質するためである。

熱間粗圧延後に行う熱間仕上げ圧延は、前段の粗圧延により溶体化−焼入れ処理がなされているため、仕上がり温度や圧延速度などの条件は特に限定されない。常法に従い最終製品の板厚に応じて圧延を行う。

冷間圧延では、加工硬化により所定の強度を得るために圧下率３０％以上とする必要がある。圧下率を３０％以上とすることにより、JISＡ５０５２合金に匹敵する２００Ｎ／mm2 以上の強度を得ることができる。好ましい圧下率は５０％以上である。

さらに、要すれば冷間圧延した合金板を１８０℃以下で最終焼鈍する。低温での熱処理を行うことにより、時効硬化させてさらに強度を向上させるとともに、伸びも向上させて加工性を向上させることができる。また機械的諸性質を安定させる効果もある。特に好ましい焼鈍温度は１３０〜１５０℃である。

ＬＥＤユニット(3)は、前後方向に長い長方形状である基板(8)と、基板(8)に実装された複数のＬＥＤチップ(9)と、ＬＥＤチップ(9)を囲むように設けられたリフレクタ(11)とからなる。ＬＥＤチップ(9)は、複数のＬＥＤ（図示略）を備えており、基板(8)の幅方向の中央部に、基板(8)の長さ方向に間隔をおいて実装されている。図示は省略したが、基板(8)には、複数のＬＥＤを電気的に接続する配線層と、配線層と電気的・熱的に導通されかつ給電用配線が接続される導電層と、放熱部材(2)と配線層および導電層との間を電気的に絶縁する絶縁層とを備えている。配線層、導電層および絶縁層は、熱伝導性に優れた材料で形成されている。リフレクタ(11)は前後方向に長くかつ上下方向に所定の厚みを有する縦長状であり、ＬＥＤチップ(9)を通しかつ内周面が円錐面状の反射面(13)となされた貫通穴(12)が、前後方向に間隔をおいて複数形成されている。また、リフレクタ(11)の上端部の左右両側縁部には、左右方向外方に突出した突出部(11a)が一体に形成されている。左右の突出部(11a)の先端間の間隔は、基板(8)の左右方向の幅よりも広くなっており、左右両突出部(11a)の先端は、基板(8)の左右両側縁部よりも左右方向外方に位置している。すべてのＬＥＤユニット(3)の基板(8)の導電層は、放熱部材(2)の下面に沿って配置された給電用配線(14)によって直列状に接続されている。給電用配線(14)の両端部は、放熱部材(2)に形成された貫通穴(15)を通して、外部に引き出されている。

ＬＥＤユニット(3)は、その幅方向の両側部分が、それぞれＬＥＤチップ(9)と対応する複数位置において、放熱部材(2)の第１熱伝導板(6)に一体に形成された爪(16)（取付部材）より放熱部材(2)側に押さえられており、これにより基板(8)が放熱部材(2)の第１熱伝導板(6)に熱接触した状態で第１熱伝導板(6)に機械的に取り付けられている。爪(16)は、第１熱伝導板(6)に、左右方向外方に開口した略コ字状の切り込み(17)を入れるとともに、当該切り込み(17)に囲まれた部分を透光板(4)側に弾性変形させることにより形成されている。そして、爪(16)の先端側の部分がリフレクタ(11)の左右両突出部(11a)に下方から係合し、当該左右両突出部(11a)が爪(16)の弾発力によって、放熱部材(2)側（上側）に押圧されることによりＬＥＤユニット(3)が放熱部材(2)に取り付けられている。

各ＬＥＤユニット(3)の両側でかつ各ＬＥＤユニット(3)の長さ方向の中間部において、放熱部材(2)を構成する２枚の熱伝導板(6)(7)は互いにねじ(18)によって固定されている。また、２枚の熱伝導板(6)(7)は、前後両端部においても複数のねじ(18)により固定されている。

スペーサ(5)は、第２熱伝導板(7)の周縁部に一体に形成されている。すなわち、第２熱伝導板(7)の周縁部が下方に折り曲げられて下方屈曲部(21)が設けられるとともに、下方屈曲部(21)の先端部が下方屈曲部(21)よりも内方、すなわち左右両側縁部の下方屈曲部(21)においては左右方向内方、および前後両側縁部の下方屈曲部(21)においては前後方向内方に折り曲げられて内方屈曲部(22)が設けられており、下方屈曲部(21)および内方屈曲部(22)によりスペーサ(5)が構成されている。

透光板(4)はガラスや合成樹脂製からなり、各縁部がスペーサ(5)の内方屈曲部(22)の下面に沿わされた状態で、チャンネル状のアルミニウム押出形材製挟着部材(23)の上下両フランジ部(23a)により、第１および第２熱伝導板(6)(7)の周縁部と透光板(4)の周縁部とが挟着されることによって放熱部材(2)およびスペーサ(5)に固定されている。図示は省略したが、挟着部材(23)のウェブ部(23b)が、適当な複数箇所においてスペーサ(5)の下方屈曲部(21)にねじ止めされている。

上述したＬＥＤ照明装置(1)は、図４に示すような植物栽培装置(30)に用いられる。植物栽培装置(30)は、図示しない支柱により上下方向に間隔をおいて支持された複数の棚板(31)と、棚板(31)の下面に取り付けられたＬＥＤ照明装置(1)と、棚板(31)上に載せられる栽培槽(32)における野菜などの植物に水分や栄養分を供給する供給装置（図示略）とを備えている。そして、棚板(31)上に載せられた栽培槽(32)の野菜などの植物に、ＬＥＤ照明装置(1)によりＬＥＤの光が照射されるとともに水分や栄養分が供給され、さらに植物栽培装置(30)が設置された室内の温度が管理されることにより、植物の生育が促されて効率的に収穫される。

上記実施形態においては、放熱部材(2)は２枚の熱伝導板からなるが、これに限定されるものではない。

この発明によるＬＥＤ照明装置は、植物工場、野菜工場、育苗装置などの人工光を光源とした植物栽培装置に好適に用いられる

(1)：ＬＥＤ照明装置
(2)：放熱部材
(3)：ＬＥＤユニット
(4)：透光板
(5)：スペーサ
(6)：第１熱伝導板
(7)：第２熱伝導板
(8)：基板
(9)：ＬＥＤチップ
(11)：リフレクタ
(12)：貫通穴
(13)：反射面
(16)：爪（取付部材）
(17)：切り込み
(18)：ねじ

Claims

板状放熱部材と、基板、基板に実装されたＬＥＤチップ、およびＬＥＤチップを囲むように設けられたリフレクタを有し、かつ放熱部材の片面に取り付けられたＬＥＤユニットと、放熱部材におけるＬＥＤユニットが取り付けられた側に、放熱部材と間隔をおいて配置された透光板と、放熱部材および透光板の周縁部間に配置され、かつ放熱部材および透光板の周縁部間の隙間を塞ぐスペーサとを備えているＬＥＤ照明装置であって、
放熱部材が積層された複数枚のアルミニウム製熱伝導板からなり、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も外側の熱伝導板の機械的強度が、残りの熱伝導板の機械的強度よりも高くなっており、ＬＥＤユニットが、放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板のうち最も内側の熱伝導板に取り付けられているＬＥＤ照明装置。
放熱部材の最も外側の熱伝導板が、Ｓｉ：０．２〜０．８wt％、Ｍｇ：０．３〜０．９wt％、Ｆｅ：０．３５wt％以下およびＣｕ：０．２０wt％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金よりなるものであって、上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊を均質化処理した後、溶体化処理および焼入れ処理を行うことなく、熱間粗圧延の任意のパス工程において、パス前の材料温度を３５０〜４４０℃、パス上がりの材料温度を２５０〜３４０℃とするとともに、上がり板厚を１０mm以下に圧延し、前記任意のパス後の冷却速度を５０℃／min以上とし、次いで熱間仕上げ圧延し、さらに３０％以上の圧下率で冷間圧延することにより製造された板であり、残りの熱伝導板が、純アルミニウムからなる板である請求項１記載のＬＥＤ照明装置。
放熱部材が、２枚の熱伝導板からなる請求項１または２記載のＬＥＤ照明装置。
放熱部材の最も外側の熱伝導板に、スペーサが一体に形成されている請求項１〜３のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
ＬＥＤユニットのリフレクタが、基板と別個に形成されるとともに、基板におけるＬＥＤチップが実装された面側に配置されており、リフレクタに、ＬＥＤチップを通しかつ内周面が反射面となされた貫通穴が形成され、基板およびリフレクタが、基板が放熱部材の最も内側の熱伝導板に熱接触するように、当該熱伝導板に取り付けられている請求項１〜４のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
ＬＥＤユニットが縦長状であり、ＬＥＤユニットの幅方向の両側部分が、それぞれ取付部材により放熱部材に機械的に取り付けられている請求項１〜５のうちのいずれかに記載のＬＥＤ照明装置。
ＬＥＤユニットの基板が長方形状であるとともに、複数のＬＥＤチップが基板の長さ方向に間隔をおいて基板に実装されており、ＬＥＤユニットが、ＬＥＤチップと対応する複数位置において、取付部材により放熱部材に機械的に取り付けられている請求項６記載のＬＥＤ照明装置。
放熱部材を構成する複数枚の熱伝導板が、各ＬＥＤユニットの両側でかつ各ＬＥＤユニットの長さ方向の中間部においてねじ止めされている請求項６または７記載のＬＥＤ照明装置。