熱設計1

 『熱は2つを食う。一つは電気を、一つは寿命を』

これは、電気設計に携わったことがある方はよく聞いた言葉ではないでしょうか?ハイテクノロジーの塊のようなL E D照明ですが、実はまだ物理の原始的な部分との戦いが続いているのです。

LEDのアキレス腱〜電源回路〜

LED電球の寿命は、一般的に4万時間といわれています。実際はだれも4万時間を計測したことがない(1日8時間だと13年以上かかってしまう)ので、設計寿命ということになっています。寿命の目安として、初期値の70%以下まで光の量が落ちた時となっています。
さて、LED照明の寿命を決める要素としては、『LEDそのもの及びその周辺の材料』『電源部分』があります。LEDは、直流電流で光りますので、交流の商用電源(日本では100V)から、直流電流に変換するための 電源(LEDをDriveするのでLEDドライバー回路といったりします)が必ず必要になります。

LEDの寿命を決めるもの

少し話が逸れますが、電子部品で『寿命』が規定されている部品は、多くはないのです。代表的なものとしては、一つは、携帯電話やパソコンに利用されているリチウムイオン電池を含む『電池』です。リチウムイオン電池は、充放電を繰り返す事によって容量が落ちてくるので、「○○サイクル」という規定が仕様書に載っています。もちろんそれを実現するための充放電の条件も明確に規定されています。
もう一つ有名なものは、モータです。回転する軸(及び軸受)がどうしても摩擦という物理現象から逃れられないので、摩耗によって寿命がきます。これも明確に寿命が規定されていることが多いです。
そしてもう一つ、有名な有限寿命(寿命があらかじめ決められている)電子部品が、私たちの電球に関係する『電解コンデンサ』という商品です。 この商品は、エネルギー密度(体積あたりの電気を蓄える量)を大きくすることが出来て、かつ、安価に生産できるという素晴らしい商品です。しかし、一方では内部に使用している電解液という液体が充放電を繰り返す事による化学変化や、ショートしても少しでも安全な爆発になるように取り付けられている安全弁からの蒸発などによって寿命が規定されています。たまに、パソコンから「液漏れ」がした、などと聞くことがあるかもしれませんが、それはこの部品です。
また、電解コンデンサの寿命は、使用される環境の温度影響を非常に受けやすいのも特徴です。ですから、一般的なコンデンサの製品仕様には、「105℃ 2000時間」などと、温度と時間の両方が記載されています。
そういえば、電池も内部に電解液を利用して化学反応させているので、寿命があるという原理は同じですね。その温度と寿命の関係は、業界的には「アレニウスの法則」といって、温度が10℃変化することによって、寿命が倍になるというのが目安になっています。

例で計算してみましょう。一般的な電解コンデンサの仕様である「105℃ 2000時間」という商品の場合、以下のような計算になります。

日本製のコンデンサーは、品質的にも優れており実力値は仕様よりもかなりあると言われていますが、仕様書上では、このようになります。

上記の式からお分かり頂けるように、LED電球の設計保証値を4万時間にしようする場合、コンデンサの周囲温度を60℃近辺にする必要があるといえます。 しかし、LEDそのものの発熱は、100℃を超えるので、冷やしてあげないと自分の熱で壊れてしまいます。 パソコンのCPUなども同様で、これらは「熱暴走」などと言われます。自分の熱で壊れるのですから、文字通り「暴走」ですね。もっとも、最近はCPUの中に温度センサーがついているものもあり、さすがに暴走はしないようですが……。
ですので、世界中のLED照明の設計者、特に放熱を担当する機構設計者はコンデンサの周辺温度をこの温度(60℃)以下に抑える事と、安価なものづくり両立の為に、死に物狂いの努力をしているのです。品質の悪い照明は、この放熱設計が悪い為に寿命が落ちたり、場合によっては1年未満で壊れたりします。

さて、LED電球の設計において、もう一つ重要なポイントに「LEDそのものを冷やす=放熱設計」があります。「放熱」および当社のLED電球の特徴についてはこちらの記事をご覧ください。