新しい最適ヒートシンク設計：発光ダイオードランプ冷却システムのための凹型フィン

本稿は、「Electrica」誌に掲載された論文「New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp」に基づいています。

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. 概要:

  • 論文名: New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp (発光ダイオードランプ冷却システムのための凹型フィンを用いた新しい最適ヒートシンク設計)
  • 著者: Mojtaba Babaelahi
  • 発行年: 2022
  • 発表雑誌/学会: Electrica
  • キーワード: Heat sink, LED, optimized geometry, numerical solution, analytical correlation

2. 要旨:

ヒートシンクは、発光ダイオード（LED）ランプの設計および運用において最も重要な問題の1つと考えられています。技術カタログの製造業者は、LEDチップが許容できる最高温度を示しており、この温度範囲が満たされない場合、光出力の低下やランプ出力の色変化が生じます。冷却システムの選択と設計は、通常、ヒートシンクの製造に関連するコストに影響します。本稿では、LEDランプ冷却システム用に凹型フィンを組み込んだ新しいヒートシンクシステムを紹介しました。このヒートシンクの能力を調べるために、支配的な熱収支方程式を解くために数値的手法が適用されました。熱伝達と粒子群最適化（PSO）アルゴリズムの結合数値解に基づいて、異なるLEDランプ容量における最小電子チップ温度とヒートシンク重量を達成するための最適形状が決定されました。包括的なデータベースが作成され、異なるLEDランプ能力に対する2つの目的最適解に基づいて遺伝的計画ツールの入力として使用されました。遺伝的プログラミングの結果に基づいて、LED電力に関する最適な幾何学的パラメータを決定するための解析的関係が提示されました。したがって、数値的分解能や最適化なしに、所与の電力に対する最適形状を決定することが可能です。結果に基づくと、凹型フィンを備えた最適ヒートシンクでは、固定断面を持つヒートシンクと比較して、シンクの効率と体積が大幅に改善されます。

3. 緒言:

発光ダイオード（LED）ランプは、照明にダイオードを使用する固体ランプであり、適切な熱管理が行われないと性能に悪影響を及ぼす可能性のある熱を発生します。ヒートシンクシステムは、一般的にLED電子チップの温度を標準範囲内に維持するために使用されます。LEDランプにおけるヒートシンクに影響を与える問題は、使用される材料の価格と製造コストです。したがって、LEDランプの冷却システムの設計と最適化に関する多くの研究が行われてきました。本稿では、LEDランプの冷却効率を改善し、材料使用量を削減するために設計された凹型フィンを備えた新しいヒートシンクシステムを紹介します。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

LEDランプは熱を発生し、不適切な熱管理は、光出力の低下や色の変化などの性能低下、および寿命の短縮につながる可能性があります。ヒートシンクは、この熱を管理するために不可欠です。材料（多くはアルミニウム）のコストと製造により、性能を維持しながら経済的実行可能性を確保するためには、ヒートシンク設計の最適化が重要です。本研究は、最小体積で熱伝達のための最大外部表面積を実現する凹型フィンを備えた新しいヒートシンク設計に焦点を当てています。

先行研究の状況:

これまでの研究では、様々なLED冷却戦略が検討されてきました。Lioら[1]は、ジェット冷却構成を検討しました。Jangら[2]は、LEDヘッドランプ用の空気循環冷却装置を分析しました。Luら[3]は、高出力LEDパッケージ用のループヒートパイプを調査しました。Wangら[4]は、熱電冷却を用いたLEDパッケージの熱損失をモデル化しました。Dengら[5]は、高出力LED用の液体金属冷却を提案しました。Anithambigaiら[6]は、デュアルインターフェース法を研究しました。Kimら[7]は、ハイブリッドピンフィンを含むスマートヒートシンクを検討しました。Costaら[11]は、スパイラルヒートシンクを数値的に分析しました。Parkら[14, 19]は、中空シリンダーや煙突を備えた設計を含むスパイラルヒートシンクを提案し、改良しました。Sökmenら[17]は、LED自動車ヘッドランプ用の円筒形フィンの計算熱分析を行いました。これらの研究は、熱性能の向上、コスト削減、LED冷却システムの最適化に向けた継続的な取り組みを浮き彫りにしています。

研究の目的:

本研究の主な目的は、最小の電子チップ温度と最小のヒートシンク重量を達成する凹型フィンを備えたヒートシンクシステムを開発することでした。さらに、本研究は、最適化結果から導出された解析的関係を提供し、LEDランプの電力に基づいてヒートシンクの最適な幾何学的パラメータを決定することを目指しました。これにより、さらなる数値的分解能や最適化を必要とせずに、所与の電力に対する最適形状を見つけることが可能になります。

研究の核心:

本研究の核心は以下の通りです。

  1. 凹型フィンを特徴とする新しいヒートシンク設計の導入。
  2. この新しいヒートシンクの熱性能を分析するために、支配的な熱収支方程式を解くための数値的手法（COMSOLソフトウェアを使用）の適用。
  3. 様々なLEDランプ容量において、最小の電子チップ温度とヒートシンク重量のための最適形状を決定するための多目的粒子群最適化（MOPSO）アルゴリズム（MATLABと連携）の採用。
  4. これらの最適化されたソリューションの包括的なデータベースの作成。
  5. このデータベースを入力として遺伝的プログラミング（GP）ツールを使用し、LED電力に基づいて最適な幾何学的パラメータを予測するための解析的関係の導出。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、数値的および計算論的アプローチを採用しました。提案された凹型フィン付きヒートシンクの熱解析は、モデリングおよび熱伝達方程式の解法のためにCOMSOLソフトウェアを使用して実施されました。その後、ヒートシンクの幾何学的寸法は、COMSOLと連携するMATLABで実装された多目的粒子群最適化（MOPSO）アルゴリズムを使用して最適化されました。最適化は、電子チップ温度とヒートシンク体積の両方を最小化することを目的としました。最後に、最適化されたデータベースから解析的方程式を導出し、最適な幾何学的パラメータとLEDランプ電力との相関関係を明らかにするために遺伝的プログラミングが使用されました。

データ収集および分析方法:

本研究は、定常状態の熱収支方程式の解法に基づいています。
ρCpu.∇T –∇.(k∇T)=0 (1)
ここで、速度(u)はゼロです。LEDランプによって生成された熱(P)は、内面からヒートシンクに入ります。
-n.q = P (2)
外面からの放熱は自由対流によって起こり、対流熱伝達係数(h)はヌセルト数(Nu)に関する実験的相関関係[22]を使用して決定されます。
Nu = [(0.09112El0.6823)-3.5 + (0.5170El0.2813)-3.5]-3.5/3.5 (3)
ここで、Elはエレンバス数です。
El = gβ(T-Tamb)Prwc4 / Lv2 (4)
対流熱伝達係数は次のとおりです。
h = Nu k / L (5)
(周囲温度Tambは25°Cです)。

最適化は、電子チップ温度の最小化とヒートシンク体積の最小化という2つの目的関数を持つMOPSOを使用して実行されました。決定変数には、半径、長さ、厚さなどの幾何学的パラメータが含まれていました(Table I)。パレートフロンティアから最適解を選択するためにLINMAP手法が使用されました。
その後、遺伝的プログラミングを使用して、最適化されたヒートシンクのデータベースからLED電力(PLED)の関数として最適な形状(Ropt, Te,opt, Tc,opt, Lopt, HL,opt, (r2/r1)ratio)の解析的関係が生成されました。

研究トピックと範囲:

本研究は、LEDランプ冷却システム用の凹型フィンを備えた新しいヒートシンク設計に焦点を当てました。範囲は次のとおりです。

  • 提案されたヒートシンクの数値熱解析。
  • 様々なLEDランプ電力容量（10W～40W）に対するヒートシンクの幾何学的パラメータ（外半径r2、フィン長L、フィン幅HL、最小フィン厚Tc、最大フィン厚Te、内半径r1）の多目的最適化。
  • LEDランプ電力からこれらの最適な幾何学的パラメータを直接予測するための解析的相関関係の開発。これにより、新しい設計のための繰り返しの数値シミュレーションと最適化の必要性が排除されます。
  • 最適化された凹型フィンヒートシンクの性能（効率、体積）と固定断面ヒートシンクとの比較。

6. 主な結果:

主な結果:

本研究は、LEDランプ用の凹型フィンを備えた新しいヒートシンク設計を成功裏に開発し、最適化しました。

  • 幾何学的パラメータの影響:
    • ヒートシンクの外半径(r2)、フィンの長さ(L)、およびフィンの幅(HL)を増加させると、平均温度が低下し、ヒートシンクの体積が増加します(Fig. 3-5)。これは、外部熱表面積の増加と、結果としての熱伝達率の向上によるものです。
    • 最小フィン厚(Tc)を増加させると、平均温度は低下しますが、ヒートシンクの体積は増加します(Fig. 6)。
    • 最大フィン厚(Te)を増加させると、フィンの数が減少し、熱伝達率が低下するため、平均温度が上昇し、ヒートシンクの体積が減少します(Fig. 7)。
  • 最適化の成果:
    • 最小チップ温度と最小ヒートシンク体積を目指して、10Wから40Wの範囲のLEDランプ電力に対する最適な幾何学的パラメータが決定されました(Table I)。
    • 異なるLED電力に対する多目的最適化のためのパレートフロンティアが生成されました(Fig. 8)。
  • 解析的関係:
    • LEDランプ電力(PLED)から最適な幾何学的パラメータ(Ropt, Te,opt, Tc,opt, Lopt, HL,opt, および (r2/r1)ratio)を直接計算するために、遺伝的プログラミングを使用して解析的方程式(Eq. 6-13)が導出されました。
  • 性能向上:
    • 凹型フィンを備えた新しいヒートシンク設計は、固定断面フィンを備えたヒートシンクと比較して、効率と体積削減において大幅な改善を示しました。例えば、40W LEDの場合、効率改善は0.5202、体積は固定断面フィン付きシンクと比較して0.7857に削減されました（Table I）。基本効率は約0.32と記載されており、Table Iの効率改善率はこの値に対するものです。

図のリスト:

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. 結論:

本稿は、LEDランプ用途向けの凹型フィンを備えたヒートシンクの最適形状を決定するための解析的定式化を提示します。様々なLEDランプ容量に対する最適形状は、数値的および結合解法（COMSOLおよびMATLABソフトウェア）とMOPSO最適化手法を使用して決定され、電子チップの表面温度とサーマルシンクの体積の最小化を目的としました。最適点のデータベースと遺伝的計画ツールに基づいて、任意のLEDランプ電力における最適形状を計算するための解析的関係が作成されました。これらの解析的方程式を使用すると、さらなる数値的分解能や最適化なしにヒートシンクの最適形状を決定できます。結果は、新しいフィンが固定断面のヒートシンクと比較して効率を向上させ、ヒートシンクの体積を改善したことを示しました。結果に基づくと、提案されたヒートシンクの外半径とフィンの長さおよび幅を大きくすると、電子チップの温度が大幅に低下し、体積が増加します。さらに、最小および最大の厚さは目的関数に反対の効果をもたらします。一方は温度を低下させて体積を増加させ、その逆もまた同様です。

8. 参考文献:

  • [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. 著作権:

  • 本資料は、「Mojtaba Babaelahi」氏の論文です。「New Optimal Heat Sink Design with Concave Fins for Cooling System in Light Emitting Diode Lamp」に基づいています。
  • 論文の出典: https://doi.org/10.54614/electrica.2022.21108

本資料は上記の論文に基づいて要約されており、商業目的での無断使用は禁止されています。
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.

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