(57)【要約】【課題】高放射線環境下でも半導体の特性劣化が少ないＬＥＤランプの提供。【解決手段】多数のＬＥＤ発光素子を直列に接続してなるＬＥＤ発光モジュールを有する発光部と、整流用ダイオードを有する電源部と、を備えるＬＥＤランプであって、多数のＬＥＤ発光素子および抵抗素子を直列に接続してＬＥＤ発光モジュールを構成することにより各ＬＥＤ発光素子に最大定格の１／３以上の電流が流れるようにしたこと、或いは、前記整流用ダイオードが、高速整流ダイオードであることを特徴とするＬＥＤランプ。【選択図】図2
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のＬＥＤ発光素子を直列に接続してなるＬＥＤ発光モジュールを有する発光部と、整流用ダイオードを有する電源部と、を備えるＬＥＤランプであって、
多数のＬＥＤ発光素子および抵抗素子を直列に接続してＬＥＤ発光モジュールを構成することにより各ＬＥＤ発光素子に最大定格の１／３以上の電流が流れるようにしたことを特徴とするＬＥＤランプ。
【請求項２】
前記整流用ダイオードが、高速整流ダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項３】
多数のＬＥＤ発光素子を直列に接続してなるＬＥＤ発光モジュールを有する発光部と、整流用ダイオードを有する電源部と、を備えるＬＥＤランプであって、
前記整流用ダイオードが、高速整流ダイオードであることを特徴とするＬＥＤランプ。
【請求項４】
前記ＬＥＤ発光素子の順電圧が、２〜４Ｖであることを特徴とする請求項１、２または３に記載のＬＥＤランプ。
【請求項５】
前記発光部が、前記ＬＥＤモジュールを複数並列に接続して構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
【請求項６】
高放射線環境用のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ発光素子と前記整流用ダイオード以外には半導体を使用していない請求項１ないし５のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
【請求項７】
ＬＥＤランプの温度変化に応じて作動する温度スイッチによりＬＥＤ発光素子の点灯数を変更することで一ケのＬＥＤ発光素子あたりの電流量を制御する温度上昇抑制機構を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐放射線特性に優れたＬＥＤランプに関し、例えば、原子炉格納容器内などの高放射線環境に設置されるＬＥＤランプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に使用されている照明器具の光源として、白熱電球（一般照明用電球、クリプトン電球、ハロゲン電球）、蛍光ランプ、ＨＩＤランプ（水銀ランプ、メタルハライドランプ、高圧ナトリウムランプ）、ＬＥＤ（発光ダイオード）など多くの種類のものが利用されているが、原子力発電施設の原子炉格納容器内などの高放射線環境下に設置される照明器具の光源には白熱電球が使用されている。
【０００３】
ＬＥＤ照明器具を原子炉格納容器内で使用した例はこれまで知られていないが、他の分野においては白熱電球等のＬＥＤへの置き換えが近年急速に行われている。ＬＥＤは、長寿命で省電力であり、光エネルギー以外の無駄なエネルギーの消費が少なくてすむこと、紫外線や熱の放射が少なく、ＣＯ２の排出量が少ないことなどの優れた特徴を有している。しかしながら、汎用的なＬＥＤ照明器具を、原子力発電施設用としてそのまま利用することはおよそ難しい。半導体に放射線を照射すると、特性が著しく低下するからである。
【０００４】
宇宙通信用先端デバイスの分野においては、耐放射線強化に対する要求があり、近年は、Ｓｉ，ＩｎＧａＡｓ系デバイスの放射線損傷に関する研究も行われるようになっている。非特許文献１では、Ｓｉフォトダイオードの特性劣化がＳｉに関する格子欠陥に起因していることが報告されている（図４参照）。
また、特許文献１には、半導体装置の製造工程において、意図的に放射線を照射することにより格子欠陥を形成する工程が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５８３１３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】大山英典、他６名「Ｓｉ，ＩｎＧａＡｓ系デバイスの放射線損傷と導入格子欠陥に関する研究（II）」、原研施設利用共同研究成果報告書、2002年度(通号42)、41〜46頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
原子炉格納容器内において従来使用されている白熱電球は寿命が短く、毎年一定数量が球切れとなるため、電球の交換作業が定期に必要となる。
また、交換作業は高所で行うため危険を伴うことからも交換作業をできるだけ少なくしたいとの要望もある。
さらには、白熱電球の交換数量すなわち放射性廃棄物を低減させることが求められていた。
【０００８】
一般的な白熱電球の定格寿命は２，０００時間である。白熱電球をＬＥＤランプに置き換えるに際し、可能な限り長期間の寿命が欲しいとのニーズがあり、例えば４０，０００時間以上の寿命が要求されている。これによれば、ＬＥＤランプは例えば実使用において２０年以上の長期間放射線に曝露された状況の下で照明手段として要求された性能を維持できるものでなければならないこととなる。
しかしながら、汎用的なＬＥＤランプを高放射線環境下で使用した場合、ＬＥＤ発光素子の照度低下、半導体の特性劣化の課題がある。
【０００９】
本発明は、高放射線環境下でも半導体の特性劣化が少ないＬＥＤランプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の課題を解消することを目標として、鋭意研究を積み重ねることにより、原子炉格納容器内などの高放射線環境での使用に最適なＬＥＤランプを創作した。
【００１１】
本発明は以下の技術的手段から構成される。
［１］多数のＬＥＤ発光素子を直列に接続してなるＬＥＤ発光モジュールを有する発光部と、整流用ダイオードを有する電源部と、を備えるＬＥＤランプであって、多数のＬＥＤ発光素子および抵抗素子を直列に接続してＬＥＤ発光モジュールを構成することにより各ＬＥＤ発光素子に最大定格の１／３以上の電流が流れるようにしたことを特徴とするＬＥＤランプ。
［２］前記整流用ダイオードが、高速整流ダイオードであることを特徴とする［１］に記載のＬＥＤランプ。
［３］多数のＬＥＤ発光素子を直列に接続してなるＬＥＤ発光モジュールを有する発光部と、整流用ダイオードを有する電源部と、を備えるＬＥＤランプであって、前記整流用ダイオードが、高速整流ダイオードであることを特徴とするＬＥＤランプ。
［４］前記ＬＥＤ発光素子の順電圧が、２〜４Ｖであることを特徴とする［１］、［２］または［３］に記載のＬＥＤランプ。
［５］前記発光部が、前記ＬＥＤモジュールを複数並列に接続して構成されることを特徴とする［１］ないし［４］のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
［６］高放射線環境用のＬＥＤランプであって、前記ＬＥＤ発光素子と前記整流用ダイオード以外には半導体を使用していない［１］ないし［５］のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
［７］ＬＥＤランプの温度変化に応じて作動する温度スイッチによりＬＥＤ発光素子の点灯数を変更することで一のＬＥＤ発光素子あたりの電流量を制御する温度上昇抑制機構を備えることを特徴とする［１］ないし［６］のいずれかに記載のＬＥＤランプ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により奏される主要な効果は次のとおりである。
（１）高放射線環境下でもＬＥＤ発光素子の照度低下、半導体の特性劣化が少ないＬＥＤランプを提供することが可能となる。
（２）ＬＥＤランプにより長寿命化が実現されるため、自然損耗による電球交換作業工数が低減される。
（３）電球交換作業の機会が減少するため、高所からの転落、転倒などの電球交換作業時の事故が減少する。
（４）原子炉機器等の定期点検時に、足場材等との衝突によるガラスグローブや電球の破損を減少させる事ができる。
（５）使用済み白熱電球の廃棄量が減少することにより、放射性廃棄物としての処理量が低減される。
（６）ＬＥＤランプにより消費電力が低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】所定の電流で発光させたＬＥＤ発光素子に、放射線を照射した後の照度変化率を示すグラフである。
【図２】本発明に係るＬＥＤランプの発光部の回路構成図である。
【図３】図２の回路に温度上昇抑制機構を設けた回路構成図である。
【図４】高速整流ダイオード１における中性子の照射量に応じたＩＶ特性の変化を示すグラフである。
【図５】一般整流ダイオード２における中性子の照射量に応じたＩＶ特性の変化を示すグラフである。
【図６】高速整流ダイオード３，４における中性子照射前後のＩＶ特性の変化を示すグラフである。
【図７】一般整流ダイオード５，６における中性子照射前後のＩＶ特性の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のＬＥＤランプの主要な特徴は次の２つである。
第１の特徴は、ＬＥＤ発光素子（以下、「ＬＥＤ」という）に供給される電流量が、放射線照射による特性劣化と温度上昇を考慮して設定されることである。第２の特徴は、耐放射線特性に優れる高速応答型の整流ダイオード（高速スイッチングダイオード）を用いたことである。以下、詳述する。
【００１５】
１．電流量
図１は、所定の電流で発光させたＬＥＤ（最大定格３５０ｍＡ）に、放射線（γ線＋中性子線）を照射した後の照度変化率を示すグラフである。図１は、運転中の原子炉より発生する中性子線による劣化を模擬するために、日本原子力研究開発機構の研究炉にて該当部品に中性子の照射を行い、照射前後の特性変化を測定したものである。ここで、照射量は既知データであるポートの熱中性子束と照射時間の積算にて算出した。
図１から、３０ｍＡでは照度が３５に％低下し、１００ｍＡでは照度が５３％に低下し、２００ｍＡでは照度が６２％に低下することが確認できる。このように、ＬＥＤは、高電流域で使用する方が、放射線による照度低下の影響が少ないことが分かる。ＬＥＤの特性にもよるが、一般には最大定格の１／３以上（好ましくは１／２以上、より好ましくは２／３以上）且つ最大定格以下の電流が各素子に常時供給されるような設計をすることが好ましい。本発明のＬＥＤランプの典型的な構成の発光部は、順電圧（ＶＦ）が数ＶのＬＥＤを抵抗素子と共に多数個直列に接続することにより実現される。ここでＬＥＤは、２００ｍＡ以上の電流を流すことができる高輝度型ＬＥＤ（パワーＬＥＤ）を用いることが好ましい。
【００１６】
他方で、ＬＥＤに流す電流が増えると、発熱量が増加する。そのため、ＬＥＤの最大定格以下で、点灯時のジャンクション温度が規定以下になる条件を満たす範囲で電流条件を選定する。ＬＥＤは使用時の温度が１２０℃以上になると寿命の短縮傾向が強くなるため１００℃以上への温度の上昇は避けることが望ましい。
防滴の要望からＬＥＤランプを覆うグローブにより密閉型構造とされる場合があり、この場合、熱がこもりやすいため、放熱の問題を考慮した設計が必要である。
【００１７】
図２は、図１のＬＥＤに流れる電流が１５０ｍＡにとなるように設計されたＬＥＤランプの発光部の回路構成図である。ＩＣ等の回路は放射線劣化により利用できないため、ＬＥＤと図示しない電源部の全波整流用のダイオードＤ１〜Ｄ４以外には半導体を使用せず、単純な抵抗にて電流制限を行う回路構成としている。
【００１８】
発光部は、Ｎ個のＬＥＤと抵抗素子を直列に接続してなるＬＥＤモジュールＡ、Ｂを並列に接続している。Ｒ１、Ｒ２は、ＬＥＤに１５０ｍＡを通電するための電流調整用の抵抗素子である。この抵抗素子により、ある程度の電圧変動の影響を吸収することが可能である。
電源基板（電源部）は、ＡＣ２１０Ｖを整流し、ＤＣ２８１Ｖとして発光部に供給する。ＬＥＤの１５０ｍＡ通電時の順電圧（ＶＦ）が２．８５Ｖである場合、抵抗Ｒ（Ｒ１、Ｒ２）は下記式１により調整される。
【００１９】
［式１］
Ｒ＝（Ｖ−ＶＦ＊Ｎ）／Ｉ
＝（２８１−２．８５＊Ｎ）／１５０ｍＡ
【００２０】
ここで、Ｎは所定の光束を得るために必要なモジュール１列当たりのＬＥＤの個数であり、１５０ｍＡ通電時の発光量から算出される。ＬＥＤの必要個数がモジュール１列当たり４５個の場合、Ｒは下記式２より１０１８Ωとなる。
【００２１】
［式２］
Ｒ＝（２８１−２．８５＊４５）／１５０ｍＡ
＝１０１８Ω
【００２２】
一のモジュールで直列接続できるＬＥＤの数量はＬＥＤの順電圧により決まるが、市販ＬＥＤの順電圧（ＶＦ）は２〜４Ｖのものが多いことから、通常は数十〜百数十個の範囲となる。１つのモジュールでは発光量が不足する場合には、並列接続されるモジュール数を増やすことにより発光量を確保する。
また、電圧変動に対応するためには別途の温度上昇抑制機構として、温度スイッチにより通電されるＬＥＤの数を制御することが好ましい。温度スイッチとしては放射線による影響が少ないものであればいかなるものを用いてもよいが、磁性体スイッチ、バイメタルスイッチが好ましいものとして例示される。
【００２３】
図３は、図２の回路に温度上昇抑制機構を設けた回路構成図である。Ａ、Ｂの各系列のうち、ＬＥＤ１〜４の４個のＬＥＤ間、およびＬＥＤ４６〜４９の４個のＬＥＤ間にバイパス回路を設け、温度スイッチＴＲＳ１およびＴＲＳ２を開閉することにより、４５個のＬＥＤが直列に連結された第１の状態と、４１個のＬＥＤが直列に連結された第２の状態が実現される。第１の状態ではＬＥＤ１個あたりの電圧は低くなり、回路に流れる電流が小さくなるので発熱量は低下する。第２の状態ではＬＥＤ１個あたりの電圧は高くなり、回路に流れる電流が大きくなるので発熱量が増加することになる。ＬＥＤの温度が、例えば、１００℃以上になると温度スイッチがＯＦＦとなり４５個のＬＥＤに通電するようにすることで、温度の上昇を抑制することが可能である。
【００２４】
２．ダイオードの種別
電源部も内蔵した一体構造のＬＥＤランプでは、熱によりＬＥＤの寿命が短くなるという問題があるため、器具全体としての発熱を抑える必要がある。従って、整流ダイオードの選定にあたっても、発熱量が小さいものを選ぶべきである。この点、高速整流ダイオードは順電圧が大きいため、一般整流ダイオードと比べ発熱量の点で不利である。また、高速整流ダイオードは、電流定格が小さいので必要個数が増えるという問題があり、しかも一般整流ダイオードと比べ高価である。そのため、商用周波数（５０〜６０Ｈｚ）においては、一般整流ダイオードを用いるのが通常である。
他方で、ＬＥＤランプの長寿命化を実現するためには、整流ダイオードについても放射線照射によるＩＶ特性の劣化が少ないものを選定する必要がある。
【００２５】
放射線（中性子）を半導体に照射するとＩＶ特性が劣化するが、これは放射線により生じた格子欠陥にキャリア（電子またはホール）がトラップされてキャリアが消滅しにくくなることが原因であると推測される。発明者は、この問題が、いわゆる小数キャリア蓄積効果と同様の現象によるものと仮定のもと、種々のダイオードで実験を行ったところ、高速応答型の整流ダイオード（以下、「高速整流ダイオード」という）が他のダイオードに比べ、ＩＶ特性（電流電圧特性）の劣化が極めて小さいことが確認された。ここで、高速整流ダイオードとは、例えば、逆回復時間が３μｓ以下のダイオードをいい、高速整流ダイオードには超高速整流ダイオードも含まれる。超高速整流ダイオードとは、例えば、逆回復時間が３００ｎｓ以下（好ましくは１５０ｎｓ以下、さらに好ましくは１００ｎｓ以下）のダイオードをいう。好ましい態様の本発明においては、電源部の全波整流用のダイオードに高速整流ダイオードを用いている。
【００２６】
以下では、逆回復特性が向上した高耐圧のＰＮ接合型高速整流素子（高速整流ダイオード）と高耐圧のＰＮ接合型整流素子（一般整流ダイオード）における、中性子の照射量に応じたＩＶ特性変化の実験結果を説明する。
図４は、逆回復時間がＩＦ／ＩＲ＝０．５／１．０Ａの測定条件で１００ｎＳの高速整流ダイオード１における中性子の照射量に応じたＩＶ特性の変化を示すグラフである。図５は、一般整流ダイオード２における中性子の照射量に応じたＩＶ特性の変化を示すグラフである。
図４および図５における中性子の照射線量は、それぞれにつき（ａ）では２．６×１０１４ｎ／ｃｍ２、（ｂ）では５．２×１０１４ｎ／ｃｍ２、（ｃ）では１０．４×１０１４ｎ／ｃｍ２、（ｄ）では２０．８×１０１４ｎ／ｃｍ２である。
図４および図５から、１平方センチメートルあたりに照射した中性子の個数（ｎ／ｃｍ２）が増加するのに伴い、一般整流ダイオード２ではＩＶ特性の劣化も進行するのに対し、高速整流ダイオード１ではＩＶ特性の劣化が殆ど無いことを確認することができる。
【００２７】
図６は、高速整流ダイオード３，４における中性子照射前後のＩＶ特性の変化を示すグラフである。ダイオード３，４は異なるメーカが製造したものであり、ダイオード３の逆回復時間は５０ｎＳ、ダイオード４の逆回復時間は１００ｎＳである。図７は、一般整流ダイオード５，６における中性子照射前後のＩＶ特性の変化を示すグラフである。図４および図５における中性子の照射線量は、いずれも１０．４×１０１４ｎ／ｃｍ２である。
【００２８】
図６および図７から、一般整流ダイオード５，６では中性子の照射によりＩＶ特性が大幅に劣化するのに対し、高速整流ダイオード３，４ではＩＶ特性の劣化が小さい（ダイオード３では殆ど劣化しない）ことを確認することができる。
【００２９】
さらには、一般整流ダイオードでは、電流値が大きくなるほど放射線の照射による特性の劣化が激しくなる傾向があることを図５および図７から読み取ることができる。すなわち、ＬＥＤの照度低下を避けるべく電流値を大きく設定する場合には、整流用のダイオードも高速応答型のものに置き換えることが望ましいことが分かる。
【００３０】
以上のとおり、図４ないし図７から、高速整流ダイオードでは、一般整流ダイオードと比べ、ＩＶ特性の変化が少ないことが確認された。高速整流ダイオードでは、不純物の量や種類を適切にコントロールしキャリアキラーとして作用させることが行われているが、このような構成が放射線（中性子）により生じた格子欠陥にも有利に作用するものと推測される。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のＬＥＤランプは、放射線環境下での利用に好適であり、特に原子力発電所等の高放射線環境下での利用（例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）や沸騰水型炉（ＢＷＲ）の原子炉格納容器内などでの利用）に好適である。
原子炉関係の用途としては、原子力発電施設、原子力研究・実験炉、水中照明（使用済燃料プール）等の高線量環境下での利用が例示される。
原子炉以外の施設の用途としては、放射線（中性子線、γ線）照射施設、ラジオアイソトープ製造施設、原子燃料再処理施設、高レベル放射性廃棄物製造施設（例えば六ヶ所村の施設）、水中照明（使用済燃料プール）等の高線量環境下での利用が例示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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