ファンとヒートシンクを用いたLEDヘッドランプの冷却性能解析

1. 概要:

  • 論文タイトル: ファンとヒートシンクを用いたLEDヘッドランプの冷却性能解析 / Cooling Performance of LED Head Lamp with Heat Sink and Cooling Fan
  • 著者: コ・マンソク、イ・ジュハン、オ・サンジュン、チョ・ヒョンスク、ソ・テボム / Manseok Ko, Juhan Lee, Sangjune Oh, Hyenseok Cho, and Teabeom Seo
  • 発表年: 2009年
  • 発表雑誌/学会: 大韓機械学会論文集B編 / Journal of the Korean Society of Mechanical Engineers, Part B
  • キーワード: ヘッドランプ、自然対流、強制対流、冷却、LED

2. 研究背景:

自動車の照明システムにおいてLEDの利用が増加する中、高出力LEDの発熱問題が性能低下と寿命短縮につながる課題となっている。先行研究では、LEDの寿命と性能に影響を与える要因を明らかにし、ヒートシンクの形状変更による熱伝達特性を分析してきた。しかし、高温による性能低下を防ぐための冷却システムの最適化については、十分に検討されていなかった。

Fig. 3 Commercial Head Lamp
Fig. 3 Commercial Head Lamp

3. 研究目的と研究課題:

  • 研究目的: 数値解析を用いて、高出力LEDランプの性能低下と寿命短縮を防ぐための冷却システム（自然対流型/強制対流型）の最適設計を検討する。ヒートシンク面積と冷却ファンの風速変化による冷却性能との相関関係を明らかにし、LEDヘッドランプの冷却性能最適化のための対策を提案する。
  • 主要な研究課題: 自然対流と強制対流の冷却システムにおいて、ヒートシンク面積と風速変化がLED接合部温度に及ぼす影響は何か？

4. 研究方法:

  • 研究設計: STAR-CCM+ (Ver. 3.02)を用いた数値解析
  • データ収集方法: 市販のヘッドランプモデルに基づいた数値解析（実際の形状との類似度90％以上）
  • 解析方法: k-ε乱流モデルを用い、自然対流と強制対流、浮力、放射熱伝達を考慮。125万個のメッシュを使用。壁面近傍では、Polyhedral MeshにLayer (Trimmed mesh) を適用し、正確な壁面温度勾配を求めた。
  • 研究対象と範囲: 市販のヘッドランプ、ヒートシンク面積 (0.0958m²、0.479m²、1.0538m²) 、風速 (2.20m/s、3.30m/s、4.40m/s、8.80m/s) の変化
Fig. 4 Mesh generation and Region
Fig. 4 Mesh generation and Region

5. 主要な研究結果:

  • 主要な発見: 自然対流のみでは、目標接合部温度130℃を達成できない（1.0538m²の面積が必要）。強制対流では、風速増加に伴い冷却性能が向上し、最大風速 (8.80 m/s) では111℃まで温度が低下。接合部1の温度が最も低く、接合部2～4の温度は高くなった。
  • 統計的/定性的分析結果: 元論文の図1、2、5、6、7、8を参照。（図表の詳細な説明は元論文を参照）
  • データ解釈: 自然対流冷却システムは効果的ではなく、強制対流システムでも風速増加による冷却性能向上には限界がある。流路設計の改善が必要。

6. 結論と考察:

  • 主要な結果の要約: 自然対流冷却システムは実用的ではなく、強制対流システムでも風速増加による限界がある。流路設計と冷却システムの改善が必要。
  • 学術的意義: LEDヘッドランプ冷却システム設計に関する基礎データを提供する。
  • 実務的な示唆: LEDヘッドランプ冷却システム設計において、流路設計とファンの配置改善による効率的な冷却システムの構築が必要。
  • 研究の限界: 数値モデルの信頼性を高めるために、追加の実験と数値解析の繰り返しが必要。

7. 今後の研究:

  • 今後の研究方向: 流路の改善、ファンの位置変更などによるヒートシンクの放熱性能向上に関する研究、数値モデルの信頼性向上のための追加実験と数値解析。
  • 更なる検討が必要な分野: 実際の車両環境を考慮した冷却システム性能評価。

8. 参考文献要約:

(1) Lee, D. G., Roh, D. S., Choi, J. B., Dong, S. G., and Ko, C. B., 2006, "Micro Heat Dissipation Technologys for High Power LED ( )," KIER p. 172.
(2) Aimal, A, Mitch, S. and William. I., 2007, "Towards Developement of Thermal Standards for the Design of LED Lamps," SAE Technical Paper Series NO. 2007-01-1037.
(3) Yu, H., Freyssinier, J. P., Deng, L., Narendran, N. and Gu, Y., 2004, "Solid State Light: Failure Analysis of White LED's," J. Crystal Growth, 268, pp. 449~459.
(4) Kang, H. W., Park, K. S. and Kang, B. D., 2007, "The Effects of the Second heat Source on Heat Sink of LED Head Lamp," KSAE07-S0179 p. 1152.

著作権

この資料は、コ・マンソクらの論文「ファンとヒートシンクを用いたLEDヘッドランプの冷却性能解析」に基づいて作成されました。
論文出典: DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.12.947
この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じられています。
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Tags: CAD; ,Heat Sink; ,자동차; ,히트 싱크