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Press Release

高輝度・小型LED水中照明を開発

―イカ釣り漁船等の省エネに貢献―
2013年2月7日
国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
国立大学法人鹿児島大学
公益財団法人北九州産業学術推進機構

NEDOの若手研究グラント(※1)の研究開発において、鹿児島大学の水田敬助教は、北九州産業学術推進機構とともに、高輝度・小型のLED水中照明の開発に成功しました。
 水中照明は、主にイカ釣り漁船等に代表される夜間の漁業に使用されていますが、従来使用されている照明はエネルギー使用量が非常に多く、寿命の短さや瞬時点灯ができない事等の問題がありました。
 水田助教らは、高性能な放熱システム(※2)の開発により、LEDの大量実装に伴う熱の集中という問題を解決。従来比10倍以上というLEDの高密度な実装が可能となったことで、LED水中照明を大幅高輝度化・小型化でき、同量の集魚効果を持つ白熱灯に対し20分の1以上の省エネも実現しました。

  • 開発したシャイニングディスクLED水中照明(直径115 mm)(写真左)水中における点灯試験風景(写真右)
    開発したシャイニングディスクLED水中照明(直径115 mm)(写真左)
    水中における点灯試験風景(写真右)

この技術は、平成25年2月18日(月)に博多都ホテル(福岡市)にて開催される「NEDO技術開発事業ビジネスマッチング~第113回ベンチャープラザ二月会~」にて研究の成果とそのビジネスプラン(ビジネスモデル)を発表する予定です。

  • (※1) 先導的産業技術創出事業(若手研究グラント)。
  • (※2) ヒートパイプ型ヒートスプレッダをコア技術とした高性能放熱システムの開発により、熱の集中に関する問題を解決しました。LEDの発光効率は近年急速に向上していますが、依然として投入されたエネルギーの約70%は熱となってしまうため、特に高輝度照明を実現しようとしてLED実装間隔を狭くすると、熱が集中して温度が上昇し、発光効率の低下や信頼性の問題を引き起こすので、これまで、高輝度なLED照明の実現は困難でした。

1. 背景

〔1〕大光量照明の省エネルギー化に対する社会的要請の高まり

スタジアムライトや投光器、水中灯など、大光量照明は様々な分野で使用されていますが、エネルギー消費量が非常に多いため、低消費エネルギー化が求められており、低消費エネルギー型の次世代照明としてLEDが注目されています。

〔2〕LED照明の大光量・高輝度化を阻む熱問題

LEDは従来型照明に比べて発光効率が高いことが知られていますが、大光量LED照明は、光に変換されなかった大量のエネルギーが熱となり、熱に弱いLEDは故障や短寿命化、発光効率の低下といった問題があります。LEDを用いた大光量照明においては、LEDの実装間隔を広くし、熱の集中を避けることによって、発熱による問題を回避するという手法が一般的でした。しかし、この方法では、LEDを密に配置する事が出来ず、小型で大光量の照明が求められる分野にLED照明が進出することの妨げとなっていました。

2. 今回の成果

〔1〕高性能放熱システムによりLED照明の熱問題を解決

本研究においては、第一に、熱拡散性に優れたフラットヒートパイプ※1の一種であるFGHP(Fine Grid Heat Pipe)をLED実装基板として用いる事によってLEDから発生する熱を速やかに拡散させること、第二に、筐体内部の排熱経路を最適化して非常に低い熱抵抗で筐体外部への熱の放出を可能とすることによって、高性能放熱システムを実現し、従来のLED照明が抱えていた発熱による問題の解決に成功しました。使用した(株)モレックス喜入製フラットヒートパイプは、内部構造を微細エッチング技術で形成しているため、冷媒の蒸発、凝縮、帰還サイクルの最適化が図られており、さらに、重力の影響が無視できる程度に小さくなるような内部構造を有するため、既存のフラットヒートパイプで問題となっていた設置姿勢による性能変化がなく、類似品に対する大きなアドバンテージとなっています。

  • 従来の実装における温度分布
    従来の実装における温度分布
  • 本技術による実装における温度分布
    本技術による実装における温度分布

(いずれも、赤が高温、青が低温であることを示す)

熱拡散性が不足して熱がこもるため、間隔をあけて実装せざるを得ず、高輝度化の実現が困難であった
熱が速やかに系外へ排出されるため、高密度な実装が可能となり、高輝度化を実現した

図1 本技術により実現される高密度LED実装(イメージ)


  • (a) 漁船上における点灯試験の様子
    (a) 漁船上における点灯試験の様子
  • (b) 真下からカメラによって撮影した点灯時の様子
    (b) 真下からカメラによって撮影した点灯時の様子
  • (c) 可視化画像から求めた輝度値分布
    (c) 可視化画像から求めた輝度値分布

図2 開発したLED水中照明の点灯試験の様子


〔2〕スペクトル選択によるさらなる省エネルギー化の実現

放熱システムの開発に加え、対象となる魚種の視感度特性に適したスペクトルをもつLEDを選択する事によって、発生した光エネルギーのうち、魚を誘引するために有効なエネルギーの比率を高めることができることを実証、さらなる省エネルギー化を実現しました。実際の漁場で、開発したLED水中灯を点灯させ、魚群探知機及びソナーにより魚群の動きについて調べたところ、従来型の4kW程度の白熱灯と、170W版の開発品とは、同程度の魚群コントロール性を実現する事が明らかとなり、実に、20分の1以下の省エネルギー化を実現可能であることがわかりました。これにより、漁業においてライトを点灯させるために必要な燃料が大幅に削減できるだけでなく、数時間の漁業であればバッテリーのみの点灯も可能となることから、発電のためにかかるエンジンへの負荷が大幅に低減されるため、エンジンの故障リスクの低減にもつながり、経済合理性が大幅に高まることが期待されます。

〔3〕利便性向上と高機能化に向けた小型内蔵電源の開発

本研究では、ユーザーの利便性と高機能化を図るため、小型内蔵電源の開発を行いました。この電源は、新日本無線株式会社製のDSCをベースにした高性能デジタル電源であり、LEDに適した高電圧駆動が可能な定電流LED用電源です。開発した電源は60mm立方に収まる程度と非常に小型であり、外付け電源に比べて約9分の1の体積にすることが可能となりました。さらに、高性能DSCチップのプログラマブル性を活かし、多彩な点灯モードを実現するなど、高機能化を図ることが可能となりました。なお、小型内蔵電源については、現在製品化に向けた信頼性の向上などの開発を継続しています。

  • 図3 後部にエクステンションを付け、電源を内蔵した筐体
    図3 後部にエクステンションを付け、電源を内蔵した筐体

3. 今後の予定

〔1〕フィールド試験を通じてさらなる改良を実現

現在、数名の漁業者の協力を得て、フィールドにおける実効性の検証と改善すべき点の抽出を続けています。最終的には、高い実効性と信頼性を持ち、さらにユーザーフレンドリーな製品となることを目指し、改善を継続しているところです。

〔2〕応用展開による適用範囲の拡大

本研究開発の成果により、集魚灯を用いた漁業の低消費エネルギー化が実現可能であるだけでなく、水中土木作業や海底探査など、従来型LED照明では輝度が不足して導入が難しかった種々の分野についてもLED照明の導入が可能となり、LED照明のより一層の普及が期待されます。さらに、空中で点灯するためのLED照明についても大光量・高輝度化を実現することを目指し、NEDO「平成24年度 戦略的省エネルギー技術革新プログラム」において、四国計測工業株式会社の技術開発テーマの体制に参画し、実用化に向けた開発に協力するなど、技術の他方面への展開を図っていきます。

4. お問い合わせ先

(本プレスリリースの内容についての問い合わせ先)
国立大学法人鹿児島大学 大学院理工学研究科 化学生命・化学工学専攻
助教 水田 敬
TEL/FAX:099-285-8917
E-mail: kmizuta@cen.kagoshima-u.ac.jp

(第113回ベンチャープラザ二月会についての問い合わせ先)
NEDO 九州支部 事業管理部 担当:兵頭
TEL:092-411-7852

(NEDO制度内容についての一般的な問い合わせ先)
NEDO 技術開発推進部 若手研究グラントグループ 担当:田村、井澤
TEL:044-520-5174

(その他NEDO事業についての一般的な問い合わせ先)
NEDO 広報室 担当:遠藤  TEL:044-520-5151 E-mail:nedo_press@ml.nedo.go.jp

【参考:用語解説】

  • ※1 フラットヒートパイプ
    熱伝導性を上げる技術の一つ。封入された揮発性の作動液が毛細管現象等によって自然に移動することで熱を伝えるヒートパイプと呼ばれる装置を平面構造となるように製作したもの。