高出力LED照明の熱設計で重要なパラメータとは？

エンジニアリングの観点から見ると、高出力LED照明器具における効果的な熱管理は、寿命、安定した光出力、および色の安定性を確保するために欠かせません。重要なパラメータは、LEDジャンクションから周囲環境までの一連の熱抵抗で構成されており、そのいずれかのリンクを最適化できない場合、性能の大幅な劣化や故障につながる可能性があります。

熱抵抗チェーン：ジャンクションから周囲まで

熱設計の核心は、熱の流れの経路を管理することであり、これは熱抵抗（Rθ）で定量化されます。システム全体の熱抵抗 Rθ-JA（ジャンクションから環境まで）は、直列に接続されたすべての抵抗の合計です。主要なパラメータは次のとおりです：

• Rθ-JC（ジャンクションからケースまで）： これはLEDパッケージ固有の特性で、メーカーによって提供されます。値が低いほど、半導体ジャンクションからパッケージ外装またはサーマルパッドへの熱伝達が効率的です。

• Rθ-CS（ケースからヒートシンクまで）： この抵抗は主に熱伝導材料（TIM）によって支配されます。TIMの重要なパラメータには、熱伝導率（W/m·K）、厚み、気泡率が含まれます。薄く均一なボンドラインを形成する適切な塗布が不可欠です。自動車産業の電子機器熱管理に使用されるような高性能材料の採用が求められる場合もあります。

• Rθ-SA（ヒートシンクから周囲まで）： ヒートシンク自体および周囲環境との相互作用に起因する抵抗であり、最も設計集約的なパラメータです。

ヒートシンクおよびシステムの重要パラメータ

ヒートシンクの性能は、その材料、形状、および冷却方式によって決まります。主な要素は以下の通りです：

• 材料の熱伝導率： アルミニウム合金（例：アルミニウム6061）は、熱伝導性、加工性、コストのバランスに優れるため標準的に使用されます。極限環境では、銅や特殊複合材がより高性能を発揮します。材料選定は、多くの場合熱処理プロセスによる特性最適化とのトレードオフで検討されます。

• 表面積およびフィン形状： 総表面積、フィン密度、フィン高さ、フィン厚みは対流熱伝達に直接影響します。自然対流または強制対流に合わせて設計が最適化され、フィン間隔にも影響を与えます。

• 冷却方式：

  • 自然対流： 浮力による気流を利用します。照明器具の設置方向や、周囲の空気が自由に流れるためのクリアランスが重要です。

  • 強制対流： ファンを使用します。重要なパラメータは、ファンの風量（CFMまたはm³/s）、静圧能力、およびシステムの空気抵抗です。

運用および環境境界条件

設計は現実的な運用条件を考慮する必要があります：

• 最大ジャンクション温度（TJ-Max）： LED半導体が耐えられる最大温度で、通常150°C程度です。一般的な設計指針では、定常状態のTJを110〜120°C以下に保つことで長寿命を確保します。

• 周囲温度（TA）： 照明器具が動作する環境の最悪条件温度（例：40°C、50°C、または産業環境ではそれ以上）。

• 入力電力と熱負荷： 放熱対象は電力全体ではなく、光に変換されなかった部分です。最新のLEDでは、通常全消費電力の70〜85%が熱として放出されます。

材料および製造上の考慮事項

熱設計を実現するには製造プロセスが鍵となります。CNC加工により、アルミニウムや銅のソリッドブロックから高精度ヒートシンクを製作でき、優れた熱伝導経路を確保します。大量生産前の検証には、CNC試作加工やアルミCNC加工プロセスが重要です。さらに、CNCアルミニウム陽極酸化によって表面放射率を高め、放射冷却性能を向上させるとともに環境耐性を付与します。

熱設計を製品ライフサイクルに統合する

熱管理は後付けではなく、設計初期段階から統合されるべきです。数値流体解析（CFD）を使用して熱性能をシミュレーションし、物理試作前に設計を最適化します。非構造ハウジングにはラピッドモールディングを、ヒートシンク自体には高精度CNC加工を用いた試作品を製作し、様々な周囲温度・電力負荷条件で環境試験を行います。これにより、消費者向け製品から産業用用途まで、最終製品が寿命と性能目標を確実に満たすことが保証されます。