フジタ技術研究報告第 48 号 2012 年

大出力・高効率な LED 照明装置の開発
石川光祥

矢 島聡奈 良岡本勉
＊2
河東鍾 國太郎

＊1

和浩

＊2

朴概要

省エネルギーの観点から LED 照明が注目されている。現在、家庭用の出力が小さい LED 照明が一般的であり、産業用の大出力の LED 照明は LED が発光時に発生させる熱によって、LED そのものの効率や寿命を低下させる問題が発生している。そのため、大出力・高効率な LED を使用することが困難で、大出力照明装置普及の隔たりとなっている。したがって、効率的な放熱機構の開発によって、大出力・高効率な LED 照明装置を実現できることが考えられる。放熱に際してファン等の駆動部を用いた強制冷却では、消費電力を底上げするだけでなく、LED より駆動部の寿命が短いため、照明装置の寿命が駆動部に縛られてしまうといった懸念がある。したがって、駆動部を用いない自然冷却での放熱機構が求められている。
本研究では、熱伝導効率のよいヒートパイプに着目し、LED から発せされた熱を効率よく放熱フィンに伝達することで駆動部がない放熱機構の構築を行った。FL160 は特徴的な放熱機構の構築によって電源を含んだ固有エネルギー消費効率 100lm/W を達成すると共に、小形で大出力の照明装置を構築することに成功した。

Development of high efficiency and high power LED lightning
Abstract
Recently, use of light-emitting diode (LED) has been focused on energy saving. LED lighting for industrial use isgenerally higher power than that for domestic use. LED lighting for industrial use present challenges because of
decreased efficiency and lifetime due to heat from LED chips. The spread of high power LEDs is inhibited by thedifficulties of developing high efficiency, high power LED. Heat dissipation using fans with shorter lifespans thanthe LEDs not only increases energy consumption but also shortens LED lifespan. In this study we focus on a
fanless heatsink in order to develop a high efficiency, high power and compact LED lightning.
In this study, we have developed a fanless high power LED lightning, using heat pipe technology. This lighting,
named FL160, is kept temperature under 83℃ at the LED chip. FL160 achieved 100 lm/W efficiency and created acompact and high power lightning device.

キーワード： 大出力 LED 照明＊1 株式会社高環境エンジニアリング＊2－19－

SOLECO 株式会社

フジタ技術研究報告 第 48 号

§１．はじめにいたヒートパイプが主流であるが、本研究では、照明装置の大きさから、ヒートパイプの径を大きくし、重力にて動作液を循環させることとした。

省エネルギーの観点から LED 照明が注目されている。
現在、家庭用の出力が小さい LED 照明が一般的であり、産§４．LED 素子について

業用の大出力の LED 照明は LED が発光時に発生させる熱によって、LED そのものの効率や寿命を低下させる問題が発生している。そのため、大出力・高効率な LED を使用

本研究では、CREE 社の XM-L LEDs 素子を用いたすることが困難で、大出力照明装置普及の隔たりとなって（図 2）。本研究の目的でも示しているが、高効率のみならいる。したがって、効率的な放熱機構の開発によって、大出ず、小形の照明装置の開発を行っており、大出力の LED力・高効率な LED 照明装置を実現できることが考えられる。

素子を用いることとした。

放熱に際してファン等の駆動部を用いた強制冷却では、消費電力を底上げするだけでなく、LED より駆動部の寿命が短いため、照明装置の寿命が駆動部に縛られてしまうといった懸念がある。したがって、駆動部を用いない自然冷却での放熱機構が求められている。

§２．本研究の目的
図 2 CREE 社 XM-L LED

本研究では、小形かつ高効率な照明装置を構築する
ため、高効率かつ大出力である LED 素子を高密度に配置し、そこから発せられる熱を効率的に放熱機構へ伝達

CREE 社から発表された XM-L LED の発光スペクトル

し、ファン等の駆動部を用いない放熱機構の構築を目的

では、450 nm 付近の青色部分と 600 nm 付近の黄色部分とした。放熱機構として、効率的な熱伝導機構であるヒーに大きなピークのある典型的な白色 LED であることがわかトパイプに着目した。

る。黄色部分のピークは青色成分に励起された蛍光体の発大出力 LED 照明装置に適用させることによって駆動色である。肉眼ではほぼ白色に感じる。この二つのピークの組み合わせで色温度は 2600 K から 8300 K まで、変化部のない放熱機構の構築を目的とした。

する。色温度が低いほど暖色系に、高いほど白色系に見え§３．ヒートパイプの原理

る。演色性(Ra)はほぼ 70 である。本機に使用されたものはこのうちでも、効率の高いほうである 5500 K 付近のものを

図 1 にヒートパイプの原理を示選別している。

す。図の下部は熱源あるいは高温部、上部は冷却あるいは低温

XM-L LED の発光効率と動作温度の関係では、LED部である。白矢印は動作液の蒸の素子温度が 25℃の時の発光量を 100％とし、相対表示さ気、黒矢印は動作液の流れであれている。動作温度が高いほど発光効率が低下することをる。

示している。

ヒートパイプは高温部にお次に素子の性能を表 1 に示す。

いて動作液が熱を吸収して蒸発し、その動作液蒸気がパイ

表 1 XM-L 性能

プ内を低温部へ移動する。低温部で冷却された動作液蒸気は液体となり、高温部へ移動する。このように温度差があることによってヒートパイプ内で動作液が循環し熱の移動が起 図 1 ヒートパイプ原理
こる。
動作液の循環方法として、毛細管現象やウィックを用

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サイズ
最大電流
最大消費電力
標準電圧
配光角度
熱抵抗

5*53103.1
1252.5mm
AW
V°℃/W大出力・高効率な LED 照明装置の開発

メーカーカタログによると温度条件 25℃下において至適条件（2.9 V、700 mA）での最小光束は 280 lm と公表

ヒートパイプ

放熱フィン

リフレクタLEDされている。また、メーカーから出されている設計シミュレーションによると本研究の使用条件における照明器具の全光束は 14,500 lm (48 V、2.8 A 条件下)と算出された。
本 LED 素子は、出力が大きいため、発熱量も大きく放熱が困難で、放熱が不十分で素子が高温にさらされると、機器寿命が著しく損なわれることがあるため、他の LED照明装置での採用はわずかである。
図 4 筐体断面図§５．高効率 LED 照明装置の性能評価

筐体の外形寸法はφ160 x 267 mm、放熱フィン
は 37.5 x 200 mm が 32 枚となっており、重量は 2.75.1 LED 照明装置（FL160）の構築kg となった。FL160 の全景を図 5 に示す。

本研究で開発した LED 照明装置 FL160 は、LED 基盤、筐体、電源からなる。以下に各パーツを示す。
・LED 基盤
XM-L16 個を直列で配置したものを 1 ポートとして、2 ポートを並列で搭載した基盤を設計した（図 3）。
LED 基盤はφ120 mm とし、放熱に支障がない程度まで密度を高くする配置設計とした。並列回路であるため、回路がアンバランスとなり、いずれかのポートが過負荷とならないように抵抗を設置した。

図 5 FL160 全景
・DC 電源LED は直流動作となるため、交流電力を直流電力へ変換する電源が必要である。本照明装置では、ミンウェル社の HLG-185H-48A（図 6）を用いて試験を行った。本電源は、入力電圧 90-305 VAC とコンセントからも電源を取ることが可能な点、効率が 94%

図 3 LED 基盤・と高いことから選定した。

筐体
筐体は、熱伝導を考慮してすべてアルミニウム合金製とした。LED 基盤を固定する筐体は、全体がヒートパイプとなっている特徴的な構造とした。これは、LED から発せられる熱を基盤面全体から熱を受け取る構造としたものである（図 4）。ヒートパイプに放熱
図 6 AC-DC 電源用のフィンを取り付け、冷却部とした。

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5.2 FL160 の性能検証方法
FL160 の性能検証は、消費電力、放熱性能および照度計測を行った。検証方法を以下にまとめる。なお、本試験は、自然放熱で行うため、無風の条件下で試験を行った。
・放熱性能検証試験
放熱性能は、T 熱電対を用いて計測を行った。計測ポイントは、LED 基盤中心および外側、リフレクタ、ヒートパイプ下部、中部、上部の 6 箇所で計測を行った。計測したデータはデータロガーにて回収した。
図 7a 放熱性能試験結果(0-24 h)

LED 基盤に熱電対を設置する際に、LED 素子に熱電対が接触して損傷しないように設置した。電源入力 160 W (48 V、3.3 A)で測定間隔は 10 秒と設定し、連続点灯試験を行った。
・

消費電力計測消費電力は、AC-DC 電源の出力および機器全体での電力を計測した。電源の出力は、シャント抵抗を用いて電流を計測し、電圧計で電圧を計測し、計測した電流、電圧から消費電力を算出した。機器全体の電力はクランプメーターを用いて計測を行った。
図 7b 放熱性能試験結果(0-5 h)

・照度計測
照度計測は、照度計を用いて縦横 1 m ピッチで直図 7 では 24 時間までの結果を載せているが、試験は射水平面照度を計測した。計測に際して反射の影響

138 時間連続で点灯試験を行った。試験終了時点でののない場所および機器が安定した状態で行った。

LED 基盤の温度とヒートパイプの上部での温度差は 6℃であった。したがって、過負荷での条件においてもヒートパイプは効率よく放熱し、安定的に稼動しており、ヒートパイプの大きさ、形状が最適化されていることが示された。

5.3 FL160 の性能評価
放熱性能試験を行った結果、基盤中心が最も高い温度となり、約 70℃であった。ヒートパイプ上部が最も低い温度と試験環境は無風としているため、ヒートパイプが放熱したなり、約 65℃であった（図 7a）。両者の温度差は 5～6℃程際に発生する上昇気流のみで放熱をしており、外気温度であり、基盤からヒートパイプへの熱伝導およびヒートパ30℃の条件においても LED 素子を著しく劣化させる条件イプの熱伝導が十分に機能していることが示された。LED1にはなっていない。夏季の工場の屋根部（照明装置の設置

素子当たり 5 W 入力しており、用いた LED 素子の熱抵抗場所）付近では 50℃以上になることもまれではない。本試は 2.5℃/W であることから、LED 素子部の温度は 85℃以下を保つことができた。CREE 社のカタログから 25℃条件下との相対光束は 85%となり、性能が十分に出せる条件に

験では環境温度は約 30℃であることから、環境温度が50℃程度の条件下において LED 素子の温度は 105℃程度となることが予測される。これは、前述している 25℃条件下との相対光束で 80%を下回らない条件である。しかしな設定できていることが示された。
図 7b に試験開始 5 時間までを拡大したグラフを示す。

がら、これは無風の条件であり、通常の使用環境とは異なる試験開始 30 分程度で安定状態となり、その後大きな変化ことが予想される。

が少ないことがわかる。開始時から LED 基盤とヒートパイプ

図 8 は、試験中に扉の開閉で不慮に通風されてしまったの温度差は小さく、ヒートパイプが効率的に機能しているこ際の結果である。外気温は比較的一定であるが、基盤温度、とがわかる。

ヒートパイプともに 5℃程度低下していることが確認された。
通常の使用環境では、換気をおこなっており、無風の状態で使用することがほとんどなく、夏季に高温となる場所であ－22－大出力・高効率な LED 照明装置の開発っても換気によって風が流れる条件で使用されれば十分な（ｍ）性能を発揮することが示唆された。

SOLEC-FL16001
通風による温度低下

1002000

21001000

3500

4300

5100

654100200

321012345水平面（ｍ）

図 9 直射水平面照度分布（lux）

LED を導入したものの水銀灯と比較して暗いという意

図 8 通風による温度低下

見を聞くことがあるが、これは水銀灯と同等の明るさが機放熱性能試験の条件（入力 160 W）において、LED 素器から出ていないためである。水銀灯はランプの光束に子の温度は 100℃以下となることが示されたが、折半屋根器具（笠)効率を掛けたものが光束として表され、水銀ランの工場等に設置する場合、より高温の環境下に設置される

プの初期光束は 400 W タイプで約 22,000 lm で器具効ことが予測される。製品の安全性、寿命のことを考慮すると、率が 65%程度であり、400 W 水銀灯器具の初期光束は入力電力を下げる必要がある。したがって、安全率を約14,300 lm となる。同様に 250 W 水銀灯で計算すると、80%として、入力電力を 132 W (48 V、2.8 A)とした。このと約 9,000 lm となる。したがって、水銀灯の代替としてきの総消費電力は、142 W であった。電源効率は、93%とLED 照明を選定する際には、これらの光束を上回ってい至適条件の効率より低下した。本条件で CREE 社の設計ることが最低条件となる。LED 照明が注目されているが、シミュレーションで全光束を計算した結果、気温 25℃にお水銀灯の光束に達していないにもかかわらず、それ以上いて 14,500 lm であった。したがって、本 LED 照明装置でや同等といって表示している器具があるため、上記の値は、電源込みでの固有エネルギー消費効率は 102 lm/Wを目安に選定する必要がある。となった。本装置で使用した LED 素子の至適条件(0.7 A、2.9 V、25℃)での効率は 128～138 lm/W であり、使用環境下および電源を含んだ固有エネルギー消費効率で 100lm/W を超えることができたのは、放熱性能がヒートパイプへの熱伝達が効率的に行われたことが要因であると示唆される。
照度試験結果を図 9 に示す。LED 素子の配光角度が120°と広いため、直射水平面照度分布でも広がっていることがわかる。400 W 水銀灯と比較すると直射水平面照度では少し低い値となっているが、通常の設置においては、照明装置をいくつも配置するため、周辺の照明装置との関係で照度は 400 W 水銀灯と同等と考えることができる。しかしながら、狭いところでの設置については壁面を照らしてしまいロスとなるため、今後はレンズ等による集光方を検討する必要がある。

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§６．まとめ参考文献
1、 CREE 社：XLamp XM-L LEDs データシート

LED 照明装置に適用した熱伝達機構および効率的な放熱機構の構築により、高効率で大出力の LED 照明装

2、 社団法人照明学会編：大学課程 照明工学（新版）、オ置を構築できた。
①

ーム社
3、 LED 照明推進協議会編：LED 照明ハンドブック、オ

熱伝達機構および放熱機構を効率よく稼動させることによって LED 基盤面と放熱器の上部との温度ーム社

差が約 5～6℃程度になった。
②

4、 社団法人照明学会編：照明ハンドブック、オーム社

LED 素子の温度を 100℃以下に抑えることができ

5、 トランジスタ技術編集部：高輝度/パワーLED の活用テたため、長寿命および安定的な照明装置を構築

クニック、CQ 出版社

できた。
③

電源を含んだ総固有エネルギー消費効率で 102lm/W を達成した。

④⑤水銀灯と同等の明るさで消費電力を 60%以上削

ひ と こ と減できた。

LED 照明装置は省エネルギーの照自然換気程度の風で LED 基盤、放熱フィンとも明として期待されているが、使用するに 5℃低下することが確認された。と予想より暗いという意見や長寿命といっているが、すぐ壊れたという話を以上の結果より、LED から発せられた熱をヒートパイプ耳にする。これは、選定した照明の全へ効率よく伝達させ、放熱できる放熱器を構築できた。こ光束の差や駆動部があること、電源にの放熱器によって、高効率、長寿命を達成し、小形で大過負荷をかけている等の問題がある出力の LED 照明装置を構築できた。

石川 光祥

ことが多い。本 LED 照明装置を大空間の工場や倉庫への適用によって省エネ社会へ貢献していきたいと思って

本技術は株式会社フジタ、SOLECO 株式会社、株式います。

会社高環境エンジニアリングの 3 社共同開発である。

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