若い頃はスポーツの練習や試合に多くの時間を費やしました. 年をとるにつれて, 練習や試合の予定がどんどん遅くなっていきました. 暗闇の中でサッカーの試合をしに行くことがよくありました. しかし, フィールドに足を踏み入れると, ほぼ昼間と変わらない明るさ…
フィールド内外での LED 技術の信頼性
フィールドに隣接する照明により, チームと私は夜遅くまでゲームを続けることができました.
明るい照明の夜のサッカーフィールド.Unsplashでの Jonathan Petersson 氏による写真提供.
私の経験は特別なものではありません. 世界中のスポーツチームは, 何十年にもわたって夜間にプレーし, 練習してきました. ただし, 近年これらのフィールドの一部が以前よりも明るく照らされていることに気付いたかもしれません. 何故でしょう?
持続可能性を高めるために, 多くのスポーツ組織はスタジアムの従来の照明システムを発光ダイオード (LED) 技術に置き換えることを選択しました. LED 電球は従来の白熱電球よりもエネルギー効率が高いだけでなく, はるかに明るいです. 米国環境保護団体 (EPA) によると, グリーンスポーツの恩恵は次の通りです:
- 生物多様性の保全
- 運営コストの削減
- グリーン製品とサービスの市場の創出と拡大
- その他いろいろ
さまざまな屋外 (および屋内) スポーツスタジアムやコートを照らすために一般的に使用される LED 電球の1つのタイプは, LED コーン電球です. アスリートが日常生活とスポーツの練習を1つのスケジュールに組み込むように, LED 電球は多くの機能を1つのシステムに組み込む必要があります. シミュレーションにより, エンジニアは LED 技術の背後にあるメカニズムを調査し, 理解を深めることができます. 本日のブログで1つの例を見ていきます.
多彩な LED 電球
金物屋に足を踏み入れると, パティオの家具, グリル, 屋外用電源装置のディスプレイを通り過ぎた後, 照明器具専用の通路にきちんと収納された LED コーン電球のセクションが見つかります. ここでは, サイズ, スタイル, コストがさまざまであることがわかります. 多くの場合,100個から200個の小さな発光ダイオードで構成されており, 金属またはエポキシ構造に並べて固定されています. ふさわしく, LED コーン電球は, 野菜に似た野菜にちなんで名付けられました.
LED コーン電球. Dmitry G — 氏による自身の作品. CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons.
LED コーン電球の独特な形状は, 消費者の目を引くものかもしれませんが, 高輝度放電 (HID) 電球や白熱電球の代わりとして人気があるのはそのエネルギー効率です. 白熱電球と比較すると, LED は75 % 少ないエネルギーを使用し, 最大25倍長い寿命を持つことが期待されています. (参照1)
汎用性を高めるために, これらの電球には2700 K から6000 K までの範囲の色温度があります. LED 電球の色温度はその光の色を表します. 高ケルビン (5500 K ～ 6500 K) の電球は明るい白色になり, 低ケルビン (2700 ～ 3000 K) の電球は温白色になります.
LED コーン電球にはさまざまなスタイルがあるため, 屋外と屋内の両方の用途に適しており, ガレージや倉庫から高速道路やスタジアムまで, あらゆるものを照らします.
LED 設計におけるチャレンジ
LED は従来の電球よりも効率的であると考えられることが多いですが, それでも電気を光に変える効率は100 % ではありません. いくらかの電力は熱になります. この熱は電球の首に閉じ込められ, 電球の電子部品 (チップなど) が時間の経過とともに劣化する可能性があります. その結果, LED の寿命がパッケージに記載されている寿命よりも短いということに気付いた人もいます. 従って, 熱管理は LED 電球を設計する際の重要なポイントになります.
伝熱モデリングを使用して, LED 電球設計の形状と材料を最適化し, 電球内で発生する最大温度を推定できます. ここでは LED コーン電球の熱モデルを調べます.
COMSOL Multiphysics® LED 電球をモデリング
LED 電球冷却チュートリアルモデル
LED 電球冷却のチュートリアル モデルでは, LED チップの加熱, 浮力による気流による冷却, および周囲環境からの放射を考慮して, LED コーン電球の温度を推定します. さらに, エネルギー輸送と運動量輸送の結合を考慮して, LED 電球の内部と外部の非等温気流も計算します.
モデル概要
モデル化された電球は次からなります:
- 上部に6つの穴がある透明なアクリルプラスチック
- 18個の LED チップをサポートする8つの側面 PCB
- 12個の LED チップをサポートするトップ PCB
- 鉄基板
電球の全パワーは5ワットです.
以下に, LED 電球の形状の4分の1を2つの異なる角度から見ることができます. エポキシ樹脂製の LED チップはオレンジ色で示されていることに注意してください. アルミニウム製の PCB は茶色で示されています.
LED 電球のジオメトリの正面図. 側面の PCB 上の LED チップの位置が強調されています (左). 基板上面の LED チップ配置図 (右).
モデル化の結果
固体および流体中伝熱と層流インターフェースは, バルブの内側と外側の気流の温度分布と速度の大きさを計算するために使用されます.
以下の結果に示すように, このスタディの LED チップは最大 ~76 °C の温度に達します. 流れの自然対流の最大速度の大きさは ~0.2 m/s です.
公称電力5ワットの電球内の LED チップの温度分布 (左). バルブの内側と外側の気流の速度場の大きさ (右).
追記: この LED 電球モデルの計算時間は, バージョン5.5と比較してバージョン5.6の COMSOL Multiphysics で10 % 短くなっています. 詳しくはこちらを参照ください.
LED 電球モデルの温度分布 (表面プロット) と速度 (矢印と流線) の両方のシミュレーション結果.
実生活での LED 電球の設計
チュートリアルのドキュメントでは, これまでに行ったことのないことを行います: シミュレーション結果を私たちが行った実際の実験と比較します!
この実験では, チュートリアルモデルでモデル化された LED 電球と同様の特性を持つ2つの LED 電球が垂直のボードに固定されています. それらは230 V AC の家庭用電流を介して電力供給されます. 両方の電球の内部温度は, 基本的な赤外線カメラを使用して計算されます. ~72 °C は観測された最高温度です (チュートリアルで観測された最高温度に近い).
実験セットアップ.
モデルと同様に, この実験で使用された両方のコーン電球にはプラスチック製のシールドカバーがあり, ほこりなどの外部条件からダイオードを保護するのに役立ちます.
モデルと現実の間で正確な定量的一致を得るには, より詳細な実験が必要ですが, この実験は概念の証明として機能します. 具体的には, LED 電球の冷却は, 垂直か水平かを問わず, その向きによる影響を最小限に抑えることを強調しています. これらの結果は LED 電球冷却チュートリアルモデルの結果とよく一致しています.
今度はあなた番です…
ここでは伝熱シミュレーションを使用して LED 電球の熱管理を解析する方法について説明しました. 下のボタンをクリックして, LED 電球冷却のチュートリアルモデルを試してください:
他の参考文献
COMSOL ブログで LED モデリングの他の例について読む:
参考文献
- “LED Lighting”, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, U.S. Department of Energy, https://www.energy.gov/energysaver/save-electricity-and-fuel/lighting-choices-save-you-money/led-lighting.
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