새로운 최적 히트 싱크 설계: 발광 다이오드 램프 냉각 시스템을 위한 오목형 핀 적용

본 소개 자료는 "[Electrica]"에서 발행된 "[New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp]" 논문을 기반으로 합니다.

Fig. 1. Schematic view of the proposed heat sink with concave fins.
Fig. 1. Schematic view of the proposed heat sink with concave fins.

1. 개요:

  • 논문 제목: New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp (발광 다이오드 램프 냉각 시스템을 위한 오목형 핀을 적용한 새로운 최적 히트 싱크 설계)
  • 저자: Mojtaba Babaelahi
  • 발행 연도: 2022
  • 발행 저널/학회: Electrica
  • 키워드: 히트 싱크, LED, 최적화된 형상, 수치 해석, 해석적 상관관계

2. 초록:

히트 싱크는 발광 다이오드(LED) 램프의 설계 및 작동에 있어 가장 중요한 문제 중 하나로 간주됩니다. 기술 카탈로그의 제조업체들은 LED 칩이 견딜 수 있는 최대 온도를 명시하며, 이 온도 범위를 충족하지 못하면 광량 저하 및 램프 출력 색상 변화가 발생합니다. 냉각 시스템의 선택 및 설계는 일반적으로 히트 싱크 구성과 관련된 비용에 영향을 미칩니다. 본 논문은 LED 램프 냉각 시스템을 위해 오목형 핀을 통합한 새로운 히트 싱크 시스템을 소개했습니다. 이 히트 싱크의 성능을 검토하기 위해 지배적인 열 평형 방정식을 푸는 데 수치 해석적 방법이 적용되었습니다. 열전달 및 입자 군집 최적화(PSO) 알고리즘의 결합된 수치 해를 기반으로 다양한 LED 램프 용량에서 최소 전자 칩 온도와 히트 싱크 무게를 달성하기 위한 최적 형상이 결정되었습니다. 포괄적인 데이터베이스가 생성되었으며, 다양한 LED 램프 성능에 대한 두 가지 목적 함수의 최적 해를 기반으로 유전 프로그래밍 도구의 입력으로 사용되었습니다. 유전 프로그래밍 결과를 바탕으로 LED 전력에 대한 최적 기하학적 매개변수를 결정하기 위한 해석적 관계가 제시되었습니다. 따라서 수치 해석 및 최적화 없이 주어진 전력에 대한 최적 형상을 결정할 수 있습니다. 결과에 따르면 오목형 핀을 사용한 최적 히트 싱크는 고정 단면을 가진 히트 싱크에 비해 효율과 부피가 크게 개선되었습니다.

3. 서론:

발광 다이오드(LED) 램프는 조명을 위해 다이오드를 사용하는 고체 조명 장치로, 적절한 열 관리 없이는 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 열을 발생시킵니다. 히트 싱크 시스템은 일반적으로 LED 전자 칩의 온도를 표준 범위 내로 유지하기 위해 사용됩니다. LED 램프의 히트 싱크에 영향을 미치는 문제는 사용되는 재료의 가격과 제조 비용입니다. 따라서 LED 램프의 냉각 시스템 설계 및 최적화에 대한 많은 연구가 수행되어 왔습니다. 본 논문은 LED 램프의 냉각 효율을 개선하고 재료 사용을 줄이기 위해 설계된 오목형 핀을 갖춘 새로운 히트 싱크 시스템을 소개합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

LED 램프는 열을 발생시키며, 부적절한 열 관리는 광 출력 감소, 색상 변화와 같은 성능 저하 및 수명 단축으로 이어질 수 있습니다. 히트 싱크는 이러한 열을 관리하는 데 필수적입니다. 재료(주로 알루미늄) 및 제조 비용으로 인해 성능을 유지하면서 경제성을 확보하기 위해서는 히트 싱크 설계 최적화가 중요합니다. 본 연구는 최소 부피로 열전달을 위한 최대 외부 표면적을 확보하기 위해 오목형 핀을 갖춘 새로운 히트 싱크 설계에 중점을 둡니다.

선행 연구 현황:

이전 연구에서는 다양한 LED 냉각 전략을 탐구했습니다. Lio 등[1]은 제트 냉각 구성을 조사했습니다. Jang 등[2]은 LED 헤드램프용 공기 순환 냉각 장치를 분석했습니다. Lu 등[3]은 고전력 LED 패키지용 루프 히트 파이프를 연구했습니다. Wang 등[4]은 열전 냉각을 이용한 LED 패키징 열 손실을 모델링했습니다. Deng 등[5]은 고전력 LED용 액체 금속 냉각을 제안했습니다. Anithambigai 등[6]은 이중 인터페이스 방법을 연구했습니다. Kim 등[7]은 하이브리드 핀을 포함한 스마트 히트 싱크를 조사했습니다. Costa 등[11]은 나선형 히트 싱크를 수치적으로 분석했습니다. Park 등[14, 19]은 중공 실린더 및 굴뚝이 있는 설계를 포함하여 나선형 히트 싱크를 제안하고 개선했습니다. Sökmen 등[17]은 LED 자동차 헤드램프용 원통형 핀의 전산 열 분석을 수행했습니다. 이러한 연구들은 열 성능 개선, 비용 절감 및 LED 냉각 시스템 최적화를 위한 지속적인 노력을 강조합니다.

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 최소 전자 칩 온도와 최소 히트 싱크 무게를 달성하는 오목형 핀을 갖춘 히트 싱크 시스템을 개발하는 것이었습니다. 또한, 본 연구는 최적화 결과로부터 도출된 해석적 관계를 제공하여 LED 램프의 전력에 따라 히트 싱크의 최적 기하학적 매개변수를 결정하고자 했습니다. 이를 통해 추가적인 수치 해석 및 최적화 없이 주어진 전력에 대한 최적 형상을 찾을 수 있습니다.

핵심 연구 내용:

본 연구의 핵심 내용은 다음과 같습니다:

  1. 오목형 핀을 특징으로 하는 새로운 히트 싱크 설계 도입.
  2. 이 새로운 히트 싱크의 열 성능을 분석하기 위해 지배적인 열 평형 방정식을 풀기 위한 수치 해석 방법(COMSOL 소프트웨어 사용) 적용.
  3. 다양한 LED 램프 용량에 대해 최소 전자 칩 온도와 히트 싱크 무게를 위한 최적 형상을 결정하기 위해 다중 목적 입자 군집 최적화(MOPSO) 알고리즘(MATLAB과 연동) 사용.
  4. 이러한 최적화된 솔루션의 포괄적인 데이터베이스 생성.
  5. 이 데이터베이스를 입력으로 사용하여 유전 프로그래밍(GP) 도구를 사용하여 LED 전력을 기반으로 최적의 기하학적 매개변수를 예측하기 위한 해석적 관계 도출.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 수치 및 계산적 접근 방식을 사용했습니다. 제안된 오목형 핀 히트 싱크의 열 해석은 모델링 및 열전달 방정식 해결을 위해 COMSOL 소프트웨어를 사용하여 수행되었습니다. 그런 다음 히트 싱크의 기하학적 치수는 COMSOL과 연동된 MATLAB에서 구현된 다중 목적 입자 군집 최적화(MOPSO) 알고리즘을 사용하여 최적화되었습니다. 최적화는 전자 칩 온도와 히트 싱크 부피를 모두 최소화하는 것을 목표로 했습니다. 마지막으로, 최적화된 데이터베이스로부터 해석적 방정식을 도출하기 위해 유전 프로그래밍이 사용되어 최적의 기하학적 매개변수와 LED 램프 전력 간의 상관관계를 규명했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

본 연구는 정상 상태 열 평형 방정식 해결을 기반으로 합니다:
ρCpu.∇T –∇.(k∇T)=0 (1)
여기서 속도 (u)는 0입니다. LED 램프에서 발생하는 열 (P)은 내부 표면에서 히트 싱크로 들어갑니다:
-n.q = P (2)
외부 표면에서의 열 방출은 자유 대류를 통해 발생하며, 대류 열전달 계수 (h)는 누셀트 수 (Nu)에 대한 실험적 상관관계[22]를 사용하여 결정됩니다:
Nu = [(0.09112El0.6823)-3.5 + (0.5170El0.2813)-3.5]-3.5/3.5 (3)
여기서 El은 엘렌바스 수입니다:
El = gβ(T-Tamb)Prwc4 / Lv2 (4)
대류 열전달 계수는 다음과 같습니다:
h = Nu k / L (5)
(주변 온도 Tamb는 25°C입니다).

최적화는 전자 칩 온도 최소화와 히트 싱크 부피 최소화라는 두 가지 목적 함수를 사용하여 MOPSO를 통해 수행되었습니다. 결정 변수에는 반경, 길이, 두께와 같은 기하학적 매개변수가 포함되었습니다(Table I). 파레토 최적해 집합에서 최적해를 선택하기 위해 LINMAP 기법이 사용되었습니다.
그런 다음 유전 프로그래밍을 사용하여 최적화된 히트 싱크 데이터베이스로부터 LED 전력(PLED)의 함수로서 최적 형상(Ropt, Te,opt, Tc,opt, Lopt, HL,opt, (r2/r1)ratio)에 대한 해석적 관계를 생성했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 LED 램프 냉각 시스템을 위한 오목형 핀을 갖춘 새로운 히트 싱크 설계에 중점을 두었습니다. 범위는 다음과 같습니다:

  • 제안된 히트 싱크의 수치 열 해석.
  • 다양한 LED 램프 전력 용량(10W ~ 40W)에 대한 히트 싱크의 기하학적 매개변수(외부 반경 r2, 핀 길이 L, 핀 너비 HL, 최소 핀 두께 Tc, 최대 핀 두께 Te, 내부 반경 r1)의 다중 목적 최적화.
  • LED 램프 전력으로부터 이러한 최적의 기하학적 매개변수를 직접 예측하기 위한 해석적 상관관계 개발. 이를 통해 새로운 설계를 위한 반복적인 수치 시뮬레이션 및 최적화 필요성 제거.
  • 최적화된 오목형 핀 히트 싱크의 성능(효율, 부피)을 고정 단면 히트 싱크와 비교.

6. 주요 결과:

주요 결과:

본 연구는 LED 램프용 오목형 핀을 갖춘 새로운 히트 싱크 설계를 성공적으로 개발하고 최적화했습니다.

  • 기하학적 매개변수의 영향:
    • 히트 싱크의 외부 반경(r2), 핀의 길이(L), 핀의 너비(HL)를 증가시키면 평균 온도가 감소하고 히트 싱크 부피가 증가합니다(Fig. 3-5). 이는 외부 열 표면적 증가와 그에 따른 열전달률 증가 때문입니다.
    • 최소 핀 두께(Tc)를 증가시키면 평균 온도는 감소하지만 히트 싱크 부피는 증가합니다(Fig. 6).
    • 최대 핀 두께(Te)를 증가시키면 평균 온도가 상승하고 히트 싱크 부피가 감소하는데, 이는 핀의 수가 줄어들고 열전달률이 감소하기 때문입니다(Fig. 7).
  • 최적화 결과:
    • 최소 칩 온도와 최소 히트 싱크 부피를 목표로 10W에서 40W 범위의 LED 램프 전력에 대한 최적의 기하학적 매개변수가 결정되었습니다(Table I).
    • 다양한 LED 전력에 대한 다중 목적 최적화의 파레토 최적해 집합이 생성되었습니다(Fig. 8).
  • 해석적 관계:
    • LED 램프 전력(PLED)으로부터 최적의 기하학적 매개변수(Ropt, Te,opt, Tc,opt, Lopt, HL,opt 및 (r2/r1)ratio)를 직접 계산하기 위해 유전 프로그래밍을 사용하여 해석적 방정식(Eq. 6-13)이 도출되었습니다.
  • 성능 향상:
    • 오목형 핀을 갖춘 새로운 히트 싱크 설계는 고정 단면 핀을 갖춘 히트 싱크에 비해 효율성과 부피 감소 측면에서 상당한 개선을 보였습니다. 예를 들어, 40W LED의 경우 효율 개선은 0.5202(52.02%)였고 부피 개선은 0.7857이었습니다(이는 새로운 설계가 유사한 고정 단면 싱크 부피의 78.57%이거나, "부피 감소"로 해석될 경우 21.43% 감소를 의미함. Table I은 후자의 해석을 "개선 부피"로 나타내며 값은 1 미만임). 논문에서는 "싱크의 효율과 부피가 크게 개선되었다"고 명시되어 있습니다. Table I은 "효율"과 "부피"에 대한 "개선"을 보여줍니다. 10W LED의 경우 효율 개선은 0.1392이고 부피 개선은 0.9774입니다. 40W LED의 경우 효율 개선은 0.5202이고 부피 개선은 0.7857입니다. 기본 효율은 0.32로 명시되어 있습니다.

그림 이름 목록:

Fig. 2. Temperature distribution in proposed fin and heat sink.
Fig. 2. Temperature distribution in proposed fin and heat sink.
Fig. 8. The Pareto front at different LED power: (A) 15 W, (B) 25 W, (C) 35 W, and (D) 40 W.
Fig. 8. The Pareto front at different LED power: (A) 15 W, (B) 25 W, (C) 35 W, and (D) 40 W.
  • Fig. 1. Schematic view of the proposed heat sink with concave fins.
  • Fig. 2. Temperature distribution in proposed fin and heat sink.
  • Fig. 3. Effect of heat sink’s outer radius on the mean temperature and volume.
  • Fig. 4. Effect of fin’s length on the mean temperature and volume.
  • Fig. 5. Effect of fin’s width on the mean temperature and volume.
  • Fig. 6. Effect of fin’s minimum thickness on the mean temperature and volume.
  • Fig. 7. Effect of fin’s maximum thickness on the mean temperature and volume.
  • Fig. 8. The Pareto front at different LED power: (A) 15 W, (B) 25 W, (C) 35 W, and (D) 40 W.

7. 결론:

본 논문은 LED 램프 적용을 위한 오목형 핀을 갖춘 히트 싱크의 최적 형상을 결정하기 위한 해석적 공식을 제시합니다. 다양한 LED 램프 용량에 대한 최적 형상은 결합된 수치 해석(COMSOL 및 MATLAB)과 MOPSO 최적화 방법을 사용하여 결정되었으며, 전자 칩 표면 온도 및 열 싱크 부피 최소화를 목표로 했습니다. 최적점 데이터베이스와 유전 프로그래밍을 기반으로 임의의 LED 램프 전력에 대한 최적 형상을 계산하기 위한 해석적 관계가 도출되었습니다. 이러한 방정식을 사용하면 추가적인 수치 해석이나 최적화 없이 히트 싱크의 최적 형상을 결정할 수 있습니다. 결과는 새로운 오목형 핀이 고정 단면 히트 싱크에 비해 효율성을 크게 높이고 히트 싱크 부피를 개선했음을 나타냅니다. 또한 외부 반경, 핀 길이 및 핀 너비를 늘리면 칩 온도가 감소하는 반면 부피는 증가하는 것으로 나타났습니다. 최소 및 최대 핀 두께는 목적 함수에 상반된 영향을 미칩니다. 하나는 일반적으로 온도를 낮추고 부피를 늘리는 반면, 다른 하나는 그 반대입니다.

8. 참고문헌:

  • [1] Sh. Liu, J. Yang, Zh. Gan, and X. Luo, "Structural optimization of a microjet based cooling system for high power LEDs," Int. J. Therm. Sci., vol. 47, no. 8, pp. 1086-1095, 2008. [CrossRef]
  • [2] S. Jang, and M. W. Shin, "Thermal analysis of LED arrays for automotive headlamp with a novel cooling system," IEEE Trans. Dev. Mater. Reliab., vol. 8, no. 3, pp. 561-564, 2008. [CrossRef]
  • [3] X. Lu, T. Hua, M. Liu, and Y. Cheng, "Thermal analysis of loop heat pipe used for high-power LED," Thermochim. Acta, vol. 493, no. 1-2, pp. 25-29, 2009. [CrossRef]
  • [4] N. Wang, C. Wang, J. Lei, and D. Zhu, Numerical Study on Thermal Man­agement of LED Packaging by Using Thermoelectric Cooling. Beijing: Inter­national Conference on Electronic Packaging Technology & High Den­sity Packaging, 2009, pp. 433-437.
  • [5] Y. Deng, and J. Liu, "A liquid metal cooling system for the thermal man­agement of high power LEDs," Int. Commun. Heat Mass Transf., vol. 37, no. 7, pp. 788-791, 2010. [CrossRef]
  • [6] P. Anithambigai, K. Dinash, D. Mutharasu, S. Shanmugan, and C. K. Lim, "Thermal analysis of power LED employing dual interface method and water flow as a cooling system," Thermochim. Acta, vol. 523, no. 1-2, pp. 237-244, 2011. [CrossRef]
  • [7] H. Kim, K. Kim, and Y. Lee, Thermal Performance of Smart Heat Sinks for Cooling High Power LED Modules. San Diego: 13th InterSociety Confer­ence on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Sys­tems, 2012, pp. 962-967.
  • [8] J. Li, F. Lin, D. Wang, and W. Tian, "A loop-heat-pipe heat sink with parallel condensers for high-power integrated LED chips," Appl. Therm. Eng., vol. 56, no. 1-2, pp. 18-26, 2013. [CrossRef]
  • [9] B. Alvarado, B. Feng, and G. P. Peterson, "Comparison and optimization of single-phase liquid cooling devices for the heat dissipation of high-power LED arrays," Appl. Therm. Eng., vol. 59, no. 1-2, pp. 648-659, 2013.
  • [10] I. Y. Chen, M. Guo, K. Yang, and C. Wang, "Enhanced cooling for LED light­ing using ionic wind," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 57, no. 1, pp. 285-291, 2013. [CrossRef]
  • [11] V. A. F. Costa, and A. M. G. Lopes, "Improved radial heat sink for led lamp cooling," Appl. Therm. Eng., vol. 70, no. 1, pp. 131-138, 2014. [CrossRef]
  • [12] Sh. Hsieh, Y. Hsu, and M. Wang, "A microspray-based cooling system for high powered LEDs," Energy Convers. Manag., vol. 78, pp. 338-346, 2014. [CrossRef]
  • [13] S. F. Sufian, Z. M. Fairuz, M. Zubair, M. Z. Abdullah, and J. J. Mohamed, "Thermal analysis of dual piezoelectric fans for cooling multi-LED pack­ages," Microelectron. Reliab., vol. 54, no. 8, pp. 1534-1543, 2014. [CrossRef]
  • [14] S. Park, D. Jang, and K. Lee, "Thermal performance improvement of a radial heat sink with a hollow cylinder for LED downlight applications," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 89, pp. 1184-1189, 2015. [CrossRef]
  • [15] B. Ahn, J. Park, S. Yoo, J. Kim, S. Leigh, and Ch. Jang, "Savings in cooling energy with a thermal management system for LED lighting in office buildings," Energies, vol. 8, no. 7, pp. 6658-6671, 2015. [CrossRef]
  • [16] X. Zhao, Y. Cai, J. Wang, X. Li, and C. Zhang, "Thermal model design and analysis of the high-power LED automotive headlight cooling device," Appl. Therm. Eng., vol. 75, pp. 248-258, 2015. [CrossRef]
  • [17] K. F. Sökmen, E. Yürüklü, and N. karadeniz, "Computational thermal analysis of cylindrical fin design parameters and a new methodology for defining fin structure in LED automobile headlamp cooling applica­tions," Appl. Therm. Eng., vol. 94, pp. 534-542, 2016. [CrossRef]
  • [18] D. H. Shin, S. H. Baek, and H. S. Ko, "Development of heat sink with ionic wind for LED cooling," Int. J. Heat Mass Transf., vol. 93, pp. 516-528, 2016. [CrossRef]
  • [19] S. Park, D. Jang, S. Yook, and K. Lee, "Optimization of a chimney design for cooling efficiency of a radial heat sink in a LED downlight," Energy Convers. Manag., vol. 114, pp. 180-187, 2016. [CrossRef]
  • [20] S. Moon, Y. Park, and H. Yang, "A single unit cooling fins aluminum flat heat pipe for 100 W socket type COB LED lamp," Appl. Therm. Eng., vol. 126, pp. 1164-1169, 2017. [CrossRef]
  • [21] Y. Young, and P. Hyun, "Natural cooling characteristics of a heat sink for LED headlight used in passenger cars," Korean Soc. Manufac. Pro. Eng., vol. 16, pp. 142-148, 2017.
  • [22] T. H. Kim, D. Kim, and K. H. Do, "Correlation for the fin Nusselt number of natural convective heat sinks with vertically oriented plate-fins," Heat Mass Transf., vol. 49, no. 3, pp. 413-425, 2013. [CrossRef]
  • [23] H. Sayyaadi, and M. Babaelahi, "Exergetic optimization of a refrigeration cycle for re-liquefaction of LNG boil-off gas," Int. J. Thermodyn., vol. 13, pp. 127-133, 2010.
  • [24] M. Babaelahi, E. Mofidipour, and E. Rafat, "Design, dynamic analysis and control-based exergetic optimization for solar-driven Kalina power plant," Energy, vol. 187, p. 115977, 2019.

9. 저작권:

  • 본 자료는 "Mojtaba Babaelahi"의 논문입니다. "[New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp]" 논문을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.54614/electrica.2022.21108

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

PDF View
Tags: Applications; , CAD; , Efficiency; , Heat Sink; , 자동차; , 해석; , 히트 싱크