空間に光を放射するために使用される電気部品は照明器具と呼ばれます。 「ハイベイ」照明と「ローベイ」照明という言葉は、主に関連する天井の面積と高さを定義し、照明業界で頻繁に使用されます。 ハイベイ照明器具と呼ばれる照明器具は、地面または作業面より高い工業用地向けに作られています。 高天井照明の用途には、倉庫、工場、大型小売施設、スポーツアリーナなど、天井が 30 フィート以上の「高天井」で使用するために作られた照明システムが含まれる場合があります。
従来の HID ハイベイと比較して、LED ハイベイ照明器具には、エネルギー消費の削減、より高い駆動電流での優れた出力、長寿命、堅牢性の向上、小型サイズ、迅速なスイッチング、優れた耐久性と信頼性など、多くの利点があります。 ただし、LED の過熱によって引き起こされる複雑さは、ソリッドステート照明の使用に関する深刻な問題です。
熱源と光源はLEDです
半導体ダイオードは、発光ダイオードに代表される固体照明装置の基礎です。 ダイオードが順方向にバイアスされると (アクティブまたはスイッチがオンになると)、電子と正孔が再結合し、光の形でエネルギーを放出します。 これらの光電子デバイスはエネルギーを光に変換する結果として熱を発生します。この熱が蓄積すると動作温度が上昇し、効率の低下や早期故障につながる可能性があります。 多くの場合、ジャンクションの温度を制御し、理想的な定常状態の動作温度に到達する能力が LED の性能を決定します。 光出力の低下、照明器具の効率の低下、支配的な波長、さらには寿命の短縮は、接合部温度の上昇と相関関係があることがよくあります。 LED のジャンクション温度は、全体の効率と L70 寿命の両方に大きな影響を与えます。 窒化ガリウム (GaN) LED の場合、接合部温度が 10 度上昇する (25 度を超える) ごとに、寿命が 10 kHrs (1000 時間) 短くなる可能性があります。 ジャンクション温度が 40 度から 70 度に上昇すると、LED の効率は 10% 以上低下します。 ジャンクション温度や周囲温度の一定の変化に対して LED 器具の性能を維持し、動作温度を調整するには、適切な熱管理ソリューションを考案する必要があります。
周囲温度が高いエリアには高い天井照明が必要です
高層ビルでは、照明器具が天井または天井近くに取り付けられることがよくあります。 適切な照明を提供するために、これらのランプには高出力 LED が一般的に使用されています。 LED に与えられる電流と LED の動作温度は両方とも、LED が生成する光の量に影響します。 高い電気駆動信号を使用して LED を高光束で駆動することもできますが、これを行うと LED が高温で動作することがよくあります。 さらに、高ベイのアプリケーションは通常、低ベイのアプリケーションよりも腐食性が高く厳しい設定で動作します。 特に製鉄所、鋳造工場、ガラス生産工場などの製造施設では、高いベイ設定では周囲温度が高くなり、浮遊粉塵や油粒子が多くなる可能性があります。 LED は、スペースが少ない筐体内や周囲温度の高い環境で動作しているときに、付随する回路から発生する熱によって損傷する可能性があります。
そのため、周囲温度が高い場所で高出力照明を使用する際には、LED 器具の内部で発生する熱を管理することが重要です。 熱管理とは、接合部に蓄積する余剰熱を高い器具から除去するシステムの能力を指します。この余熱は、蛍光体を劣化させ、ランプ寿命を短くする可能性が高くなります。 高品質の照明器具材料の使用、改良された放熱設計、さらには熱が蓄積しすぎると自動的に照明を下げる温度センサーさえも使用して、LED メーカーはより高い温度に対応する設計を常に改善しています。
生き残るために高品質の LED を使用する
一般に、高品質 LED は高温環境でも機能する耐久性のあるコンポーネントです。 たとえば、CREE XM-L LED は、最大 150 度のジャンクション温度で機能します。 LED 照明器具の相対光出力は、周囲温度 60 度では、25 度の相対光出力と比較してわずか 10% 低下します。 熱抵抗は、LED 分野でのデバイスの全体的な熱輸送能力を表すために使用される用語です。 LED 自体の熱拡散接続とパッケージングは、熱抵抗経路を最小限に抑えるように設計されています。 LED パッケージ内で消費される最大電力は、その熱抵抗と最大動作温度によって決まります。 LED 接合部と周囲の空気の間の熱抵抗によって、最大順電流が決まります。 LED のジャンクション温度が高くなるのは、熱抵抗が強い LED 内部に大量の熱が蓄積することが原因です。 これが発生すると、LED の接合部温度の上昇の影響が順電流の上昇の影響とバランスをとり、順電流の増加にもかかわらず LED の光出力レベルが維持されるか、さらには低下することがあります。 照明器具の寿命と光学特性を最大化するには、はんだ点から周囲までの熱抵抗を最小限に抑える方法で照明器具を構築することが重要です。 OSRAM オプト セミコンダクターズが発表した OSLON スクエア LED ファミリは、熱抵抗がわずか 3.8 K/W と低く、高い周囲温度で特に優れた性能を発揮し、高温下でも 50,000 時間を大幅に超える寿命を達成できる可能性があります。 LEDの温度は最大135度です。 Lumileds LUXEON K2 白色 LED は、ジャンクション温度が 120 度以下に維持された定電流動作に基づいており、1000 mA の順電流で 50,000 時間の動作で 70 パーセントのルーメン維持を実現します。 150 度もの高いジャンクション温度でも出力損失をほとんど抑えて動作できます。
熱制御: システムパフォーマンスの重要な側面
産業用照明器具、特に回路と LED が密閉されたハウジング内に配置される UFO スタイルのハイベイでは、性能と信頼性を向上させながら光電子デバイスの動作温度を下げるために、効果的な熱設計が不可欠です。 ハイベイ設計に関しては、ヒートシンク (多くの場合、照明器具のハウジングに組み込まれています) が熱設計の主な重点となります。 各 LED の接合部とドライバーのハウジングは、ヒートシンクによって冷却されるように設計されています。 ヒートシンクの表面積を拡大し、周囲の空気とのより高い対流熱交換を促進するために、ヒートシンクは多くの場合、金属などの熱伝導性材料で作られ、フィンまたはチャネルが付いています。 ハウジング内に放熱チャンバーを内蔵することも可能です。 材料の組成と周囲の要因は、ハイベイハウジングの熱伝導率に影響します。 熱伝導は、システムのコンポーネント部品の形状に基づいて廃熱を除去するもう 1 つの方法です。 ヒートシンクの製造には、銅、アルミニウム、金属合金など、熱伝導率の高い任意の材料を使用できますが、これらに限定されません。 銅の熱伝導率は少なくとも 400 W/mK であるにもかかわらず。 アルミニウムは、熱伝導率が比較的高く、製造が簡単であるため、ヒートシンクに最適な金属です。 アルミニウムハウジングは、放熱性と耐食性を高めるために、内面と外面の両方にアクリル粉体塗装コーティングを施すことができます。
