JP6451036B2 - 発光ダイオード照明及び電子装置 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、電力使用効率を向上させた発光ダイオード照明などを提供することにある。
このような発光ダイオード照明において、電源供給手段における波形整形部が備えるコンデンサは、電解コンデンサよりライフタイムの長いコンデンサであることを特徴とすることができる。
そして、熱電変換手段を冷却する冷却手段をさらに備え、熱電変換手段は、熱から変換した電気を、冷却手段を駆動する電力として供給することを特徴とすることができる。
一方、水銀や水銀を使用した製品の製造と輸出入が規制される方向にあることから、水銀灯などが用いられていた街路灯や投光器などの高出力の分野でも、発光ダイオード照明への置き換えが進められようとしている。しかし、発光ダイオード照明を100W〜1kWの高出力の屋外照明として使用するには、10W〜50Wなどの低出力の場合に比べて、発光ダイオードに流す電流を多くして光量を増加させることが必要となっている。
図1は、本実施の形態における発光ダイオード照明100の構成例を示す図である。図1(a)は、発光ダイオード照明100の一例の側面図、図1(b)は、発光ダイオード照明100の他の一例の側面図、図1(c)は、発光ダイオード照明100の機能部10の等価回路を示す図である。
図1(a)に示す発光ダイオード照明100の構造を説明する。
発光ダイオード照明100は、照明という機能を発揮する機能部10、機能部10が機能の発揮に伴って発生する熱(熱エネルギ)を電気(電気エネルギ)に変換する熱電変換部20及び熱電変換部20を冷却する冷却手段の一例としての冷却部30を備えている。
機能部10は、基板112、基板112上に配列された複数の発光ダイオード111、複数の発光ダイオード111を点灯させるための電源供給手段の一例としての電源回路12を備えている。ここで、基板112及び基板112上に配列された複数の発光ダイオード111を発光ダイオードアレイ11と表記する。なお、複数の発光ダイオード111は、それぞれに発光ダイオード111が形成された複数のチップが直接基板112上に実装されているCOB(Chip on Board)タイプのLEDモジュールの場合もある。
なお、発光ダイオード照明100は、冷却部30を備えなくともよい。
接触させる場合、機能部10が発生する熱は、伝導により熱電変換部20に伝わる。上方に離して設ける場合、機能部10が発生する熱は、対流により熱電変換部20に伝わる。
ここでは、機能部10の電源回路12は、複数の発光ダイオード111を配列する基板112の裏面側に設けられている。
(熱電変換部20)
熱電変換部20は、熱(熱エネルギ)を電気(電気エネルギ)に変換する熱電変換素子を備え、機能部10が機能を発揮する際に伴って発生する熱エネルギを電気エネルギに変換して、再利用できるようにする。再利用することを、回生と表記することがある。また、再利用される熱エネルギ又は電気エネルギを回生エネルギと呼ぶことがある。
ゼーベック効果とは、異なる金属又は極性の異なる半導体の両端を接合して接点とし、両接点間に温度差を設けることで、電流(熱電流)が発生する現象をいう。
また、極性の異なる半導体の両端を接合して接点としたものは、熱発電素子である。熱発電素子は、例えば、温度差180℃において、開放電圧8.6V〜8.7Vを発生し、240Wの熱エネルギを吸収して、10.5Wの電力を出力する。
熱発電素子が取り出すことができる電気エネルギ(電力)は、両接合間の温度差に依存する。付言すれば、両接合間の温度差が大きいほど、取り出すことができる電気エネルギ(電力)が大きい。なお、熱発電素子は、直流(DC)を出力する。
熱電変換部20は、上記の熱電対素子、熱発電素子又は他の熱エネルギを電気エネルギに変換する素子で構成されてもよい。また、熱電変換部20は、熱電対素子や熱発電素子を複数並べて構成されてもよい。
冷却部30は、熱電対や熱発電素子の一方の接点が機能部10に近い側に設けられ、他方の接点が機能部10から遠い側に設けられた場合、他方の接点を冷却する。冷却部30は、例えば放熱フィン、ヒートパイプ又は放熱ファンなどである。ヒートパイプは、作動液の移動を用いて熱を移動させる手段である。
前述したように、熱電対素子や熱発電素子では、接点間の温度差が大きいほど、取り出すことができる電気エネルギ(電力)が大きい。よって、他方の接点を冷却(空冷を含む)することで、両接点間の温度差を大きくする。これにより、取り出すことができる電気エネルギ(電力)が大きくなる。
また、冷却部30が例えば放熱ファンである場合、放熱ファンは、上記の他方の接点に風があたるように設けられることがよい。なお、放熱ファンは、電力の供給を要する。
(機能部10)
[発光ダイオードアレイ11]
発光ダイオードアレイ11は、基板112上に複数の発光ダイオード111が直列接続されて構成されている。すなわち、複数の発光ダイオード111は、それぞれの正極と負極とが交互に接続されている。そして、発光ダイオードアレイ11の両端子が電源回路12の出力端子に接続されている。
発光ダイオードアレイ11は、例えば、28個の発光ダイオード111が直列接続されて構成されている。それぞれの、発光ダイオード111は、例えば、順方向電圧2.9V、順方向電流52.5mAである。よって、発光ダイオードアレイ11は、電圧約80V、電流約52.5mAが供給されると点灯する。
なお、発光ダイオードアレイ11のLEDの数は、28個以外であってもよい。発光ダイオードアレイ11の数も1個から3個でもよく、4個を超えてもよい。これらの場合、電源回路12は、発光ダイオードアレイ11におけるLEDの数及び発光ダイオードアレイ11の数に応じた電圧、電流、すなわち電力を供給すればよい。
一例として挙げる電源回路12は、サージアブソーバ121、EMC(Electro-Magnetic Compatibility)フィルタ122、整流部123、波形整形部124及び出力部125を備えている。
電源回路12において、入力端子からサージアブソーバ121、EMCフィルタ122、整流部123、波形整形部124、出力部125の順に接続されている。出力部125が電源回路12の出力端子に接続されている。
電源回路12の入力端子には、交流電源40が接続されている。交流電源40は、いわゆる商用電源であって、電源回路12に交流電力(電圧、電流)を供給する。交流電源40は、例えば、50Hz又は60Hzの85〜265Vである。
なお、ここで説明する電源回路12は一例であって、他の回路構成を備えるものであってもよい。
電源回路12のサージアブソーバ121は、交流電源40側から電源回路12にサージが侵入することを抑制する。サージアブソーバ121は、例えば、極性を逆にして並列に接続されたバリスタで構成されている。そして、交流電源40から電源回路12に交流電力(電圧、電流)を供給する2本の電源線の間に設けられている。
出力部125は、発光ダイオードアレイ11に予め定められた電流を供給する定電流電源として機能する。
図2(b)に示すように、電源回路12の整流部123は、例えばダイオードブリッジで構成されていて、交流電源40の交流電圧を全波整流する。すると、図2(b)のαで示すように、整流部123から出力される電圧波形は脈流(脈動)となる。しかし、熱電変換部20からの出力端子を、ダイオードDを介して接続することで、ダイオードDが順バイアスされた状態、すなわち、整流部123から出力される電圧が熱電変換部20の出力電圧より低い場合に、ダイオードDを介して電流が流れる。よって、図2(b)のβで示すように、整流部123から出力される電圧波形の電圧の低い部分が、熱電変換部20からの流れ込む電流によって埋められる。これにより、整流部123からの出力における脈流(脈動)が軽減される。
そして、平滑コンデンサが大容量であることを要しなくなると、寿命(ライフタイム)の短い電解コンデンサを使用しなくてもよく、寿命の長いコンデンサが使用できる。電解コンデンサを用いないことで、電源回路12の寿命(ライフタイム)が長くなる。例えば、電源回路12の寿命が、発光ダイオードの寿命(約4万時間)以上になれば、発光ダイオードアレイ11と電源回路12とを一体化できる。
電解コンデンサよりライフタイムが長いコンデンサとは、電解コンデンサのように極性を有しないコンデンサであって、例えば、フィルムコンデンサ、セラミックコンデンサなどをいう。これらのコンデンサは、電解コンデンサに比べ劣化しにくく、寿命が長い。
また、熱電変換部20の出力を電源回路12に回生させているので、電力使用効率が向上(改善)する。
前述したように、発光ダイオードアレイ11は、前述したように、例えば28個の発光ダイオードを直列接続して構成されている。よって、電源回路12の出力端子は、約80Vの電圧を供給する。一方、熱電変換部20は開放電圧8.6V〜8.7Vであるので、熱電変換部20の出力端子を発光ダイオードアレイ11の端子に直接供給できない。
そこで、図3に示すように、熱電変換部20を複数の副熱電変換部21から構成し、複数の副熱電変換部21の出力を直列接続して、発光ダイオードアレイ11に供給する。
このように熱電変換部20の出力を電源回路12に回生させているので、電力使用効率が向上(改善)する。
前述したように、熱電変換部20がゼーベック効果を利用するものである場合、両接点間の温度差が大きいほど、熱電変換部20から取り出される電力が大きい。よって、一方の接点が発光ダイオードアレイ11側に配置された場合、放熱ファンなどで構成された冷却部30は、他方の接点を冷却するように構成される。
なお、冷却部30に、熱電変換部20と並行して、交流電源40又は機能部10の電源回路12から電力を供給するようにしてもよい。
発光ダイオードアレイ11を備える機能部10は、発光ダイオードアレイ11に供給する電流を制御することで、発光ダイオードアレイ11からの光量が調整できる。
街路灯や投光器などは高い位置に設けられることから、遠隔操作(リモートコントロール)により、光量が調整されるとよい。この場合、街路灯や投光器の電源回路12に接続された受信部50に、地上から電波又は光の信号を送信して、光量を調整してもよい。このとき、受信部50は、地上からの信号を待ち受けるため、常にオン状態に保持されている。そこで、受信部50に、熱電変換部20からの電気エネルギを電力として供給してもよい。
このようにしても、電力使用効率が向上(改善)する。
また、以上の他に、熱電変換部20から得られる電気エネルギを他の用途に使用するように構成してもよい。この場合であっても、電力使用効率が向上(改善)する。
その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形を行っても構わない。
Claims (4)
- 発光に伴って熱を発生する発光ダイオードと、
前記発光ダイオードから発生する熱を電気に変換する熱電変換手段と、
外部から供給される交流電圧を直流電圧に変換して前記発光ダイオードに供給する電源供給手段と、を備え、
前記電源供給手段は、交流を脈流に整流する整流部と、当該整流部により整流された電圧波形を整形する波形整形部と、を有し、
前記熱電変換手段は、熱から変換した電気を、前記電源供給手段における前記整流部により整流された脈流に回生させることを特徴とする発光ダイオード照明。 - 前記電源供給手段における前記波形整形部が備えるコンデンサは、電解コンデンサよりライフタイムの長いコンデンサであることを特徴とする請求項1に記載の発光ダイオード照明。
- 前記熱電変換手段を冷却する冷却手段をさらに備え、
前記熱電変換手段は、熱から変換した電気を、前記冷却手段を駆動する電力として供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の発光ダイオード照明。 - 直流電圧により駆動され、予め定められた機能を発揮する際に発熱を伴う機能部と、
前記機能部から発生する熱を電気に変換する熱電変換手段と、
外部から供給される交流電圧を前記直流電圧に変換して前記機能部に供給する電源供給手段と、を備え、
前記電源供給手段は、交流を脈流に整流する整流部と、当該整流部により整流された電圧波形を整形する波形整形部と、を有し、
前記熱電変換手段は、熱から変換した電気を、前記電源供給手段における前記整流部により整流された脈流に回生させることを特徴とする電子装置。
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