LEDヒートシンク選定：ルーメンと寿命のサイジング

Feb 13,2025

LEDヒートシンク選定：ルーメン出力と寿命のためのサイジング

LEDヒートシンクのサイズは、ワット数だけでなくジャンクション温度で決定します。白色LEDを85°Cのジャンクション温度で動作させると、36,000〜60,000時間後でも初期ルーメン出力の約90%を維持します。しかし、120°Cまで上げると、同じLEDはその数分の一の時間でルーメン維持率70%に低下します。効率30%の100W LEDモジュールは約70Wの熱を排出します。そして、そのヒートシンクが、あなたの照明器具が5年持つか15ヶ月で終わるかを左右するのです。

LEDは白熱灯と比較して効率的ですが、それでもまずは発熱体です。一般的な白色LEDへの電気入力の約3分の2は光にならず、ジャンクションから逃がさなければならない熱となり、そうしなければチップは劣化します。ルーメン出力、色安定性、寿命はすべて、恐ろしいほどの規則性でジャンクション温度に追従します。そのため、ヒートシンクの選定は実質的に温度予算の策定作業です。このガイドでは、実際の数値を使って計算方法を説明します。

なぜ熱が寿命を決めるのか：ルーメン減退の計算

すべてのLEDデータシートにはLM-80レポートが含まれています。これは、制御されたケース温度で測定されたルーメン維持率を、TM-21に従ってL70またはL90寿命（出力が初期値の70%または90%に低下するまでの時間）に外挿したものです。同じチップでも温度が異なれば寿命は大きく異なります。ミッドパワー白色LEDの代表的な値は以下の通りです：

ジャンクション温度	代表的なL70寿命	代表的なL90寿命
70°C	80,000〜100,000時間以上	約36,000〜50,000時間
85°C	50,000〜70,000時間	約25,000〜36,000時間
100°C	30,000〜45,000時間	約12,000〜20,000時間
120°C	15,000〜25,000時間	約6,000〜10,000時間

重要なポイント：ジャンクション温度を10〜15K下げるごとに、エミッタの実用寿命はおよそ2倍になります。仕様で50,000時間の照明器具寿命を約束する場合、設計はジャンクション温度85°C以下に収める必要があり、その目標がそのままヒートシンクのサイズに反映されます。

ステップ1：電気ワットを熱ワットに変換する

メーカーはLEDをルーメンと入力ワットで表記しますが、これではヒートシンクが実際に処理する数値が見えません。電力から光を差し引きます：150 lm/Wのモジュールは入力の約30%を光に変換するため、70%が熱になります。効率の低いチップや蛍光体を多く含むチップはさらに悪化します。

LED入力電力	光学効率	ヒートシンクへの熱
50W	35%（高効率）	約32W
100W	30%（標準的なミッドパワー）	約70W
150W	25%（旧型/高演色）	約112W
200W（COBアレイ）	30%	約140W

重要なポイント：熱を計算する際は、マーケティング用のルーメン数値ではなく、モジュールのデータシートに記載されている光学効率を使用してください。光学効率を50%と仮定して熱を過小評価することは、LED照明器具設計における最も一般的なサイジングエラーであり、冷却マージンを静かに半分に減らしてしまいます。

ステップ2：ジャンクション目標を達成するための完全な熱連鎖の予算化

熱は、ダイから一連の抵抗を通って逃げます：パッケージ内部のジャンクションからはんだポイントへ、基板を通り、熱界面材料を通り、シンクベースに入り、そして空気中へ出ます。まずジャンクション目標（長寿命設計では85°C）を決定し、最大周囲温度を差し引き、熱ワットで割ると、総予算が得られます。その予算の代表的な配分は以下の通りです：

抵抗段階	代表的な値（MCPCB上のCOB）
ジャンクションからケース（Rth j-c）	0.3〜0.6 K/W
ケースから基板 + TIM	0.1〜0.3 K/W
基板からシンクベース	0.1〜0.2 K/W（良好なTIM）
シンクから周囲	残り、フィンでサイズ決定

計算例：100Wモジュール、70Wの熱、周囲温度25°C、許容ジャンクション温度85°C。総予算は(85-25)/70 ≈ 0.86 K/Wです。パッケージと界面段階でそのうち約0.6〜0.8 K/Wを消費するため、ヒートシンクに残るのはわずか約0.1〜0.3 K/Wです。これは大型のパッシブ押出材または適度なファン冷却ユニットを意味します。これが、高出力COB器具が外見よりもかさばる理由です。シンクは70Wを放散しながら、ほぼ周囲温度プラス20°Cに保たれなければならないからです。

ステップ3：実際の器具のためのサイジングの経験則

自然対流アルミニウムシンクの場合、2つの経験則がほとんどのLED設計の範囲を決定づけます。パッシブ押出シンクは、妥当な温度上昇を維持するために、熱ワットあたり約50〜80cm²の露出フィン表面積が必要です。または、質量ベースでは、一般的な押出プロファイルの場合、熱ワットあたり約60〜100gのアルミニウムが必要です。強制空冷では、両方ともおおよそ半分になります。実際のシンクを省略したコンパクトなリフォームランプは、温度が上昇するにつれてドライバーが電流を減らすことに依存しています。これが、1時間後にルーメン出力が低下する理由です。

器具タイプ	代表的な冷却方法	シンク規模（熱W基準）
9〜15W GU10/リフォーム	鋳造またはプレスボディ、パッシブ	総ボディ30〜50g
20〜40W ダウンライト	ダイカストまたは押出カップ、パッシブ	40〜80g
60〜150W 街路灯	大型押出またはボンデッドフィン、パッシブ	60〜100g/W
100〜300W ハイベイ	押出 + ファンまたはリモートドライバー	40〜60g/W + ファン

重要なポイント：100Wのパッシブ街路灯ヘッドの重量が約2.5〜3kgのアルミニウム未満の場合、豪華なパンフレットを信頼する前に、もう一度計算し直してください。少ない金属で冷却できる特別な合金はありません。自然対流の物理は容赦ありません。

実際のマージンを追加する材料と表面処理の選択

合金は限界的な部分で重要です。6063-T5は約200 W/m·Kの熱伝導率を持ち、押出ヒートシンクの標準です。6061-T6は155〜170 W/m·Kで、ハウジングが機械的負荷を支える必要がある場合に選ばれます。詳細な比較は6063 vs 6061ガイドをご覧ください。黒色アルマイト処理は、シンク温度が高い場合に放射によるわずかな放熱効果を追加しますが、ほとんどのLED器具では、その実際的な価値は腐食防止と均一な放射率にあります。

量産照明器具ボディの場合、プレスヒートシンクとダイカストハウジングは、熱要件が控えめで形状がプロセスに適している場合にコスト面で有利です。プレスアルミニウムボディは、基板への良好な熱経路があれば10〜20Wの熱を適切に処理できます。それを超える場合は、押出材に移行してください。選択は量と熱に依存し、両方のラインを稼働している供給工場は、あなたの数量でどちらが安いかを教えてくれます。

ヒートシンク工場に送るべき情報

ルーメン目標ではなく、実際の熱データを持参してください。送るもの：LEDモジュールの電力と光学効率または実測熱ワット、許容最大ジャンクション温度またはケース温度、周囲温度範囲とIPエンクロージャの詳細（密閉ハウジングは対流を妨げます）、必要な寸法と取り付け穴パターン、空気の流れの有無。完全な熱仕様により、工場はプロファイルを最初から正しくサイズ決定できます。図面が曖昧な場合は、推測が入り込むのを許すのではなく、明確に伝えてください。BQUQは、押出、CNC、プレスヒートシンクラインを1つのISO9001認定工場で運営し、12営業時間以内に見積もりを提供しますが、その見積もりの正確性はあなたの熱数値から始まります。

よくある質問

Q: LED照明器具はどのジャンクション温度で設計すべきですか？

A: 長寿命製品の場合、最大周囲温度で85°C以下を目標にしてください。85°Cでは、一般的な白色LEDはL70を50,000〜70,000時間維持します。それを10〜15K超えるごとに寿命はおよそ半分になるため、100°C以上の設計は通常、定格寿命が短くなります。

Q: LEDワットをシンクが除去すべき熱に変換するにはどうすればよいですか？

A: 電気入力から光を差し引きます。光学効率30%の100Wモジュールは約70Wの熱を発生します。モジュールのデータシートに記載されている光学効率を使用してください。50%と仮定するのは、照明器具を半分のサイズにしてしまう古典的なエラーです。

Q: なぜ100WのLED街路灯にはそれほど重いヒートシンクが必要なのですか？

A: 約70Wをパッシブに放散し、85°Cのジャンクション温度付近に保つために許容される温度上昇がわずか10〜20Kだからです。自然対流には熱ワットあたり約50〜80cm²のフィン表面積が必要なため、2.5kg以上のアルミニウムを備えた大型押出材は、過剰設計ではなく通常の物理です。

Q: プレスまたはダイカストハウジングは、LED用の押出ヒートシンクの代わりになりますか？

A: はい、熱が控えめな場合（自由空気中でボディあたり約15〜25Wまで）は可能です。それを超えると、押出フィンがコストに見合う価値を発揮します。切り替え点は数量とエンベロープに依存します。プレスと押出の両方のラインを稼働している工場は、あなたの部品について両方のルートのコストを計算できます。

Q: 黒色アルマイト処理は本当にLEDヒートシンクの性能を向上させますか？

A: わずかに向上します。表面の放射率を上げて放射を促進するためで、これは主にシンク温度が高い場合や密閉空間で重要です。ほとんどのLED器具では、その実際の価値は劇的な熱的利得ではなく、耐食性と均一で耐久性のある仕上げにあります。

熱界面材料ガイド — BQUQ熱管理エンジニアリングシリーズより。
IGBTパワーモジュール冷却ガイド — BQUQ熱管理エンジニアリングシリーズより。
黒色アルマイトヒートシンクの理由 — BQUQ熱管理エンジニアリングシリーズより。