(57)【要約】【課題】発光部への電力供給だけで機能する回転灯を提供する。【解決手段】第１シリンダ４内のガスを外部から加熱・冷却して動力を得る外燃機関たるスターリングエンジン１８および発光ダイオード９を備えて構成され、かつ発光ダイオード９が発光源とスターリングエンジン１８の加熱源を兼ね、かつ、スターリングエンジン１８が発光ダイオード９の回転運動の動力源となるように構成されるものとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内のガスを外部から加熱・冷却して動力を得る外燃機関および発光ダイオードを備えて構成され、かつ前記発光ダイオードが発光源と前記外燃機関の加熱源を兼ね、かつ、前記外燃機関が前記発光ダイオードの回転運動の動力源となるように構成されたことを特徴とする回転灯。
【請求項２】
前記発光ダイオードが２個以上の複数である請求項１記載の回転灯。
【請求項３】
前記発光ダイオードの発光層が、少なくともアルミニウム、ガリウム、インジウム、リンのいずれかを含む化合物半導体から構成される請求項１又は２記載の回転灯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外燃機関及び発光ダイオードから構成される回転灯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回転灯に関する技術としては、特許文献１記載の方法がある。この方法においては、電球と反射板から構成されるユニットをモータで回転させ、回転灯としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公昭５７−１７８３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来方法による回転灯は広く用いられており、一般的な用途においては必要かつ十分な能力を有している。しかしながら、電球と反射板の回転にモータを用いるため、発光部の点灯とは別に電源を準備する必要があり、回路が複雑になる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、発光部への電力供給だけで機能する回転灯を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明は、シリンダ内のガスを外部から加熱・冷却して動力を得る外燃機関および発光ダイオードを備えて構成され、かつ前記発光ダイオードが発光源と前記外燃機関の加熱源を兼ね、かつ、前記外燃機関が前記発光ダイオードの回転運動の動力源となるように構成されたものである。
【０００７】
前記発光ダイオードが２個以上の複数であるとよい。
【０００８】
前記発光ダイオードの発光層が、少なくともアルミニウム、ガリウム、インジウム、リンのいずれかを含む化合物半導体から構成されるとよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発光部への電力供給だけで機能する回転灯を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明に関わる回転灯の模式的な断面図である。
【図２】図２は本発明に関わる回転灯の模式的な平面図である。
【図３】図３は本発明に関わる回転灯の模式的な底面図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、回転灯の動作順序を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に示すように、回転灯２１は、外燃機関２２と、発光部たる発光ダイオード９とを備えて構成される。
【００１２】
外燃機関２２は第１シリンダ４内のガスを外部から加熱・冷却して仕事を得るものであり、一般にはスターリングエンジン１８として知られている。スターリングエンジン１８は、その加熱部（エンジン下面板２）に発光ダイオード９を接続され、発光ダイオード９の発熱を加熱源として用いる。冷却部（エンジン上面板１）は強制冷却であってもよいが、特に必要がなければ自然冷却でもよい。また、外燃機関２２は発光ダイオード９の回転運動の動力源となるように構成される。
【００１３】
具体的には、回転灯２１は、柱状に形成される回転軸１２と、回転軸１２にスターリングエンジン１８を回転自在に、かつ、スターリングエンジン１８の駆動力で回転するように取り付けるための減速機１９とをさらに備える。
【００１４】
減速機１９は、回転軸１２に設けられる第１ベベルギア１３と、スターリングエンジン１８の駆動軸たるクランクシャフト６に設けられ第１ベベルギア１３と噛合される第２ベベルギア１１とを備える。また、減速機１９は、回転軸１２に回転自在に支持されると共にクランクシャフト６を回転自在に支持するギアボックス２０を有する。
【００１５】
スターリングエンジン１８は、加熱部と冷却部の温度差が大きいほど高い効率を得ることができる。したがってスターリングエンジン１８の加熱部に発光ダイオード９を２個以上の複数個取り付け、加熱部の熱量を増加させることでより回転を安定させることが可能となる。
【００１６】
発光ダイオード９は外燃機関の加熱源と、発光源とを兼ねる。
【００１７】
発光ダイオード９の発光層に用いる材料に制限はないが、一般的な赤色の回転灯に用いるには、アルミニウム、ガリウム、インジウム、リンのいずれかを含む化合物半導体から構成されることが好ましい。その他には、例えば窒素ガリウム・インジウム系の化合物半導体材料を用い、青色の回転灯とすることも可能である。
【００１８】
発光体は必ずしも発光ダイオードを用いる必要はないが、例えば電球は発生した熱の多くを輻射熱として放出してしまい、スターリングエンジンの熱源としては不向きである。一方、発光ダイオードは、所望の波長域以外での発光はほぼないため、発生した熱が空間へと放出されにくく、スターリングエンジンの熱源として有効に活用できる。
【００１９】
次に本実施の形態の作用を述べる。
【００２０】
図４（ａ）に示す状態のスターリングエンジン１８は、エンジン上面板１が外気で自然冷却されることで第１シリンダ４内のガスの圧力が下がる。これにより、図４（ｂ）に示すように後述するパワーピストン５がガスの圧力で引き下げられると共に、ディスプレーサ３が引き上げられ、ディスプレーサ３より上方のガスがディスプレーサ３の下方に移動される。この状態から第２ベベルギア１１が慣性によって回転することで図４（ｃ）に示すようにディスプレーサ３が上死点まで引き上げられ、エンジン下面板２が発光ダイオード９で加熱されることで第１シリンダ４内のガスの圧力が上がる。この後、図４（ｄ）に示すように、パワーピストン５がガスの圧力で押し上げられ、第２ベベルギア１１の慣性によって図４（ａ）の状態に戻る。以降、同様の動作を繰り返すことでクランクシャフト６が回転駆動され、図１に示すスターリングエンジン１８が回転軸１２を中心として回転する。
【００２１】
このように、第１シリンダ４内のガスを外部から加熱・冷却して動力を得る外燃機関たるスターリングエンジン１８および発光ダイオード９を備えて構成され、かつ発光ダイオード９が発光源とスターリングエンジン１８の加熱源を兼ね、かつ、スターリングエンジン１８が発光ダイオード９の回転運動の動力源となるように構成されたため、発光ダイオード９への電力供給だけで発光ダイオード９を点灯させつつ回転させることができる。
【００２２】
スターリングエンジン１８の加熱源となる発光ダイオードが２個以上の複数であるものとしたため、スターリングエンジン１８を十分加熱でき安定して駆動できる。
【００２３】
また、発光ダイオード９の発光層が、少なくともアルミニウム、ガリウム、インジウム、リンのいずれかを含む化合物半導体から構成されるものとしたため、赤色回転灯を容易に構成できる。
【実施例１】
【００２４】
直径１１０ｍｍ、厚さ３ｍｍのＡ５０５２アルミニウム合金製のエンジン上面板１と、直径１１０ｍｍ、厚さ３ｍｍの主に銅からなるエンジン下面板２と、内径１００ｍｍ、外径１０６ｍｍ、高さ２２ｍｍのアクリルパイプからなり、エンジン上面板１とエンジン下面板２の間に設けられる第１シリンダ４と、直径９６ｍｍ、厚さ１０ｍｍの発泡スチロールからなり第１シリンダ４内に上下移動可能に収容されるディスプレーサ３と、上下に延びる筒状に形成されると共にエンジン上面板１の開口１７に連通して設けられた第２シリンダ１６と、直径２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのゴムからなり第２シリンダ１６内に上下移動可能に収容されるパワーピストン５と、ディスプレーサ３に真鍮製のクランクシャフト６を介して連結されると共にパワーピストン５に真鍮製のコネクティングロッド８を介して連結されパワーピストン５の上下運動を回転運動に変換する真鍮製のクランクシャフト６とを用い、ディスプレーサ型のスターリングエンジン１８を構成した。第１シリンダ４、第２シリンダ１６内には、室温において１気圧相当の空気（ガス）が封入されている。
【００２５】
スターリングエンジン１８は、エンジン上面板１が冷却部、エンジン下面板２が加熱部となる。エンジン下面板２には発光源兼加熱源となる発光ダイオード９が１０個取り付けられている。発光ダイオード９はフィリップス・ルミレッズ・ライトニング・カンパニー社製のＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００を用いた。ＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００のヒートシンクはエンジン下面板２に熱伝導グリスを介して接触しており、発光ダイオード９の発熱をエンジン下面板２に効率よく伝達することができる。さらにエンジン下面板２に取り付けた反射鏡１０により、発光ダイオード９からの光を特定方向にのみ反射する。
【００２６】
ディスプレーサ３側のクランクシャフト６に連結されるクランクシャフト６と、パワーピストン５側のコネクティングロッド８に連結されるクランクシャフト６とには９０°の位相差がつけられている。
【００２７】
クランクシャフト６の先端には外径２０ｍｍの第２ベベルギア１１が取り付けられており、直径３０ｍｍの回転軸１２に取り付けられた第１ベベルギア１３と噛み合い、第１ベベルギア１３上を第２ベベルギア１１が移動する。これにより、スターリングエンジン１８及びスターリングエンジン１８に取り付けられた発光ダイオード群（以下、発光回転部と称する）２３が回転軸１２の周囲を回転する。回転軸１２の中心からスターリングエンジン１８の中心（ディスプレーサ３の中心）までの距離は１５０ｍｍである。
【００２８】
回転軸１２には別途電極１４が取り付けられており、この電極１４からリード１５を介してエンジン下面板２内へと電流が引き込まれる。なお、本実施例では、電極１４とリード１５で形成される電極構造にブラシ電極構造を採用した。エンジン下面板２には、発光ダイオード９に通電できるように配線パターンが形成され、リード１５と発光ダイオード９は電気的に接続されている。
【００２９】
各々の発光ダイオード９に３５０ｍＡの電流が流れるように電圧を印加したところ、発光回転部２３は６０ｒｐｍで回転軸１２の周りを回転した。このとき、発光回転部２３から放出される光量は、約５００ｌｍであり、回転灯として十分な光量を有している。
【００３０】
以上により、発光部（発光ダイオード９）への電力供給だけで機能する回転灯を提供できることが実証された。
【００３１】
最適条件についての根拠
実施例１において、ＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００への通電電流を３５０ｍＡとした根拠について述べる。
【００３２】
ＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００のデータシートによると、３５０ｍＡ通電時の印加電圧は２．９５Ｖ（ティピカル値）である。このときの投入電力は１０３２．５ｍＷになる。一方、ドミナント波長は６２７ｎｍ、光束は６０ｌｍ（いずれもティピカル値）であり、これらから換算される放射束はおよそ３８０ｍＷとなる。放射束以外が全て熱になると換算すると、ＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００  １個あたりの発熱量は、６５２．５ｍＷである。実施例１では１０個のＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００を用いているので、総発熱量は約６．５Ｗとなる。
【００３３】
各々の発光ダイオード９に３５０ｍＡの電流を通電したとき、エンジン下面板２の温度を放射温度計を用いて測定したところ、およそ１００℃（３７３Ｋ）であった。同様にエンジン上面板１の温度を測定したところ２０℃（２９３Ｋ）であった。スターリングエンジン１８の効率ηは高温部の温度をＴH、低温部の温度ＴLとしてη＝１−ＴL／ＴHとして与えられるので、実施例１のスターリングエンジン１８の効率は約２１．４％となる。これに発光ダイオード９の発熱量を掛け合わせた約１．４Ｗが実施例１におけるスターリングエンジン１８の仕事率である。
【００３４】
一方、発光ダイオード９を通電させずに発光回転部２３を回転させるのに要する力を測定したところ、１．５Ｎであった。仕事率Ｗと力Ｆ、回転軸から力がかかる点までの距離ｒ、角速度ωの間には、ｒ×Ｆ×ω＝Ｗの関係があることから、これを変形してω＝Ｗ／（ｒ×Ｆ）とし、上記で求めた仕事率Ｗ＝１．４Ｗ、距離ｒ＝０．１５ｍ、力Ｆ＝１．５Ｎを代入すると、角速度ω＝６．２２ｒａｄ／ｓｅｃ≒２πｒａｄ／ｓｅｃ＝６０ｒｐｍと見積もられる。
【００３５】
以上の計算に基づき、本実施例では６０ｒｐｍを得るために、ＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００への通電電流を３５０ｍＡとした。
【００３６】
なお、上記計算に基づくと実施例１の放射束は６００ｌｍと見積もられるが、実測値は実施例１に示したように５００ｌｍであった。これは反射鏡１０による反射が完全ではなく、損失があることが大きな原因と推察される。
【００３７】
なお、上述の実施の形態では発光ダイオード９としてフィリップス・ルミレッズ・ライトニング・カンパニー社製のＬＸＫ２−ＰＤ１２−Ｓ００を用い赤色回転灯を構成したが、青色発光ダイオードを用いて青色回転灯としてもよい。また、発光ダイオード９の製造メーカー、型式に制限はなく、形状やコストに応じて適宜選択することができる。
【００３８】
スターリングエンジン１８の構造や大きさ、回転数、発光ダイオード９の個数、通電電流等のパラメータは上述の実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて変更が可能である。
【００３９】
上述の回転灯２１は、一般的な回転灯とは異なりモータを使用しない。直流モータはその構造上、漏れ磁束による電磁誘導ノイズが発生しやすいが、上述の回転灯２１はモータが存在しないためノイズは発生しない。この特徴を生かし、例えば微小電流や磁場を検出する装置等の信号灯として上述の回転灯２１を用いることができる。
【００４０】
また、発光部への通電だけで回転運動が得られるという意外性を生かし、スターリングエンジンの動作原理について学習するための学校教材として上述の回転灯２１を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  エンジン上面板
２  エンジン下面板
３  ディスプレーサ
４  第１シリンダ
５  パワーピストン
６  クランクシャフト
７  コネクティングロッド
８  コネクティングロッド
９  発光ダイオード
１０  反射鏡
１１  第２ベベルギア
１２  回転軸
１３  第１ベベルギア
１４  電極
１５  リード
１６  第２シリンダ
１７  開口
１８  スターリングエンジン
１９  減速機
２０  ギアボックス
２１  回転灯
２２  外燃機関
２３  発光ダイオード群（発光回転部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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