強制対流による自動車用LEDランプ放熱板の冷却特性に関する研究

1.概要:

  • 論文タイトル: 強制対流による自動車用LEDランプ放熱板の冷却特性に関する研究 (A Study on Cooling Characteristics of the LED Lamp Heat Sink for Automobile by Forced Convection)
  • 著者: Yang Ho-Dong、Yoo Jae-Young、Park Seul-Hyun
  • 発表年: 2018年
  • 掲載誌/学会: 韓国機械加工学会誌 (Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers)
  • キーワード: 強制対流、冷却特性、ヒートシンク、LEDランプ、数値解析

2. 研究背景:

自動車用ヘッドライトは、運転者の視界確保に極めて重要な役割を果たしており、LEDランプは、その高いエネルギー効率と長寿命から近年注目を集めています。しかし、LEDランプは発熱量が高いため、製品寿命の短縮や効率の低下を引き起こす可能性があります。従来の水冷式冷却板やヒートパイプ方式は冷却性能に優れていますが、システム構築コストや設置スペースの制約から、その利用は限定的です。そのため、本研究は、強制対流を用いた自動車用LEDランプヒートシンクの冷却性能向上に関する研究が必要とされました。

3. 研究目的と研究課題:

  • 研究目的: 自動車用LEDランプヒートシンクの強制対流による冷却特性を分析し、空気流速の増加による冷却効果の向上を確認すること。
  • 主要な研究課題: 空気流速の変化に応じて、ヒートシンクの温度分布と対流熱伝達係数はどのように変化するか？実験結果と数値解析結果はどの程度一致するか？
  • 研究仮説: ヒートシンクフィン周りの空気流速を増大させることで、対流熱伝達係数が有意に増加し、冷却効果が向上する。

4. 研究方法:

  • 研究設計: 実験と数値解析による比較分析
  • データ収集方法: 実験では、熱電対を用いてヒートシンクの温度をリアルタイムで測定しました。パルス幅変調（PWM）制御によるDCファンを使用して空気流速を制御しました（2〜6m/s）。ヒートシンクへの熱流束は27W/m²に一定に保ちました。数値解析では、Fluent 6.0ソフトウェアを用いて、温度分布と対流熱伝達係数を計算しました。
  • 分析方法: 実験結果と数値解析結果を比較して冷却特性を分析し、理論式から算出した対流熱伝達係数と比較検討しました。
  • 研究対象と範囲: 特定モデルの自動車用LEDランプヒートシンクを対象とし、空気流速を2、4、6m/sに変化させて実験と数値解析を行いました。

5. 主要な研究結果:

  • 主要な発見: 空気流速の増加に伴い、ヒートシンクの温度が有意に低下し、対流熱伝達係数が上昇することが確認されました。実験結果と数値解析結果は良好な一致を示しました。理論式から算出した対流熱伝達係数も同様の傾向を示しました。
  • 統計的/定性的分析結果: 図5は、様々な空気流速（2、4、6m/s）における時間に対するヒートシンク温度変化を示しています。図6は、空気流速に応じたヒートシンク温度分布の数値解析結果を示しています。図7は、実験、数値解析、理論式から得られた対流熱伝達係数の比較結果を示しています。空気流速が2m/sから6m/sに増加すると、対流熱伝達係数は約50W/m²Kから280W/m²Kに増加しました。
  • データ解釈: 実験と数値解析の結果は、空気流速の増加に伴い冷却効果が向上することを示しています。ヒートシンクの最も高温部分（底部）と最も低温部分（上面）の温度差は、空気流速によらず約5℃に維持されました。
  • 図表一覧と説明: （図表の説明は日本語版と同様です。テキストベースの回答の制限上、図表自体は含めません。）
Fig. 1 Images of headlight assemblies used in this study
Fig. 1 Images of headlight assemblies used in this study
Fig. 2 Schematics of experimental set-up
Fig. 2 Schematics of experimental set-up
Fig. 6 Computed temperature distributions for the heat sink without and with air flow applied
Fig. 6 Computed temperature distributions for the heat sink without and with air flow applied

6.結論と考察:

本研究は、強制対流を用いた自動車用LEDランプヒートシンクの冷却特性を、実験と数値解析によって分析しました。空気流速の増加に伴い、ヒートシンクの温度が低下し、対流熱伝達係数が増加することで冷却効果が向上することが確認されました。実験、数値解析、理論計算の結果は同様の傾向を示し、研究の信頼性を高めています。本研究結果は、LEDランプの効率的な熱管理と製品寿命の向上に貢献するものです。実務的には、ヒートシンク設計や冷却ファン性能の最適化に役立ちます。

7. 研究の限界:

本研究は、特定モデルのヒートシンクを対象としており、他の形状のヒートシンクや様々な動作条件への一般化には限界があります。

8. 今後の研究:

様々な形状やサイズのヒートシンクに関する研究、様々な動作条件（温度、湿度など）下での研究、実際の自動車環境下での冷却性能評価、より高度な数値解析モデルの開発などが、今後の課題として挙げられます。

参考文献概要:

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著作権:

本要約は、Yang Ho-Dongらの論文「強制対流による自動車用LEDランプ放熱板の冷却特性に関する研究」に基づいて作成されました。

元の論文は、韓国機械加工学会誌、第17巻、第6号、pp.117-123（2018年12月）に掲載されています。
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.6.117

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Tags: Applications; ,CFD; ,Computational fluid dynamics (CFD); ,Cooling Plate; ,Efficiency; ,Heat Sink; ,자동차