自動車用LEDヘッドランプのヒートパイプ冷却

1. 概要:

  • タイトル: Cooling of LED headlamp in automotive by heat pipes
  • 著者: Randeep Singh, Masataka Mochizuki, Tadao Yamada, Tien Nguyen
  • 発行年: 2020年
  • 発行学術誌/学会: Applied Thermal Engineering
  • キーワード: Passive cooling, Flexible heat pipe, Hinge heat pipe, Piezo fan, Lighting, Automotive thermal management

2. 研究背景:

  • 研究テーマの社会的/学術的背景: 自動車用ヘッドランプは、ハロゲン/キセノンからLEDへと移行しています。LEDは、ハロゲンランプよりも2倍高い発光効率、10〜15倍長い寿命、優れたスタイリング機能を提供します。ハロゲンランプとは異なり、LEDは、単色性、光度、寿命を維持するために温度制御が必要です。
  • 既存研究の限界点: 従来のLED冷却ソリューションとして使用されるアルミニウムダイカストヒートシンクは、熱効率が低く、構造的に重く、スペース効率が悪いという課題があります。
  • 研究の必要性: さまざまな設計とスタイルのLEDヘッドランプ、および最大20W/モジュールまでの熱性能に対応できるヒートパイプベースの冷却システムに関する研究が必要です。

3. 研究目的および研究質問:

  • 研究目的: さまざまな設計とスタイルのLEDヘッドランプ、および最大20W/モジュールまでの熱性能に対応できるヒートパイプベースの冷却システムを提案、設計、特性評価すること。
  • 核心研究質問: ヒートパイプベースの冷却システムは、LEDヘッドランプ用のダイカストヒートシンクよりも効率的で軽量な代替案を提供できるか？
  • 研究仮説: ヒートパイプベースの冷却システムは、LEDヘッドランプ用のダイカストヒートシンクと比較して、より高い熱性能とより軽量な重量を提供できる。

4. 研究方法論:

  • 研究設計: さまざまなLEDヘッドランプの設計とスタイルに対するヒートパイプ冷却システムの設計と特性評価。
  • データ収集方法: 定常状態の熱性能特性評価（動作温度と熱抵抗）、T型熱電対を使用した温度測定（精度+/- 0.1℃）、熱シミュレータを使用した熱負荷の提供（電流および電圧精度+/- 0.01 AまたはV）。
  • 分析方法: 熱抵抗分析、さまざまな冷却ソリューションの比較。
  • 研究対象および範囲: 低/高ビーム冷却用の高性能円筒形/扁平型銅-水ヒートパイプ、スイベル機能冷却機能を備えたアダプティブヘッドランプ用ヒンジヒートパイプ、リモートマウントヒートシンク用フレキシブルヒートパイプなど、さまざまなヒートパイプ設計。

5. 主要研究結果:

  • 核心発見事項: ヒートパイプヒートシンクは、ダイカストヒートシンクと比較して「40〜50％軽量」であり、「2〜3倍高い熱性能」を提供します。ヒートパイプの利点は、「超薄型フォームファクタ、より高い設計自由度、より高い設計公差」です。
  • 統計的/定性的分析結果:
  • ヒートパイプヒートシンクは、25℃の周囲温度でLEDパッケージ温度を80℃以下に維持しました。
  • ヒンジヒートパイプアセンブリのLED接合部から周囲空気までの総熱抵抗は「6.89℃/W」でした。
  • ピエゾファン冷却は、ソース温度を「7.6℃」低下させ、エンクロージャ空気温度を「3.7℃」上昇させました。
  • データ解釈: ヒートパイプは、放熱能力を大幅に向上させ、より優れたスペース利用とパッシブ冷却を可能にします。
  • Figure Name List:
    • Fig. 1. Heat load output by different lamp types.
    • Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/electric systems.
    • Fig. 3. LED package for automotive headlamp.
    • Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system thermal resistance network (bottom).
    • Fig. 5a. Cooling module design for automotive headlamp.
    • Fig. 5b. Heat pipe heat sink for cooling high beam LED package inside head-lamp.
    • Fig. 6. Heat pipe heat sink for headlamp high beam cooling.
    • Fig. 7. Thermal test on LED headlamp with heat pipe based cooling of high beam.
    • Fig. 8. Breakdown thermal resistance for different components from LED junction to ambient air.
    • Fig. 9. Hinge heat pipe assembly.
    • Fig. 10. Hinge heat pipe assembly for cooling LED package with swivel function.
    • Fig. 11. Flexible heat pipe.
    • Fig. 12. Heat pipe assembly with frame as heat sink.
    • Fig. 13. Heat pipe assembly for cooling fog light LED package in headlamp.
    • Fig. 14. Heat pipe heat sink for low beam LED package cooling.
    • Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.
    • Fig. 16. Round type Piezo fan.
    • Fig. 17. Velocity profile of round piezo fan.
    • Fig. 18. Cooling enhancement for LED headlamp using piezo fan.
Fig. 1. Heat load output by different lamp types.
Fig. 1. Heat load output by different lamp types.
Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/ electric systems.
Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/ electric systems.
Fig. 3. LED package for automotive headlamp
Fig. 3. LED package for automotive headlamp
Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system thermal resistance network (bottom).
Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system thermal resistance network (bottom).
Fig. 5a. Cooling module design for automotive headlamp.
Fig. 5a. Cooling module design for automotive headlamp.
Fig. 5b. Heat pipe heat sink for cooling high beam LED package inside headlamp.
Fig. 5b. Heat pipe heat sink for cooling high beam LED package inside headlamp.
Fig. 13. Heat pipe assembly for cooling fog light LED package in headlamp
Fig. 13. Heat pipe assembly for cooling fog light LED package in headlamp
Fig. 14. Heat pipe heat sink for low beam LED package cooling
Fig. 14. Heat pipe heat sink for low beam LED package cooling
Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.
Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.
Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.
Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.

6. 結論および考察:

  • - 主要結果の要約: LEDヘッドランプ用のヒートパイプ冷却ソリューションは、ダイカストヒートシンクよりも軽量で、より高い熱性能を提供します。さまざまなヒートパイプ設計（円筒形、扁平形、ヒンジ形、フレキシブル形）を開発し、テストしました。
  • - 研究の学術的意義: LEDヘッドランプ冷却に対するヒートパイプの効果を実証し、さまざまなヘッドランプスタイルに対する設計オプションを提供しました。
  • - 実務的示唆点: ヒートパイプ技術は、次世代LEDヘッドランプの効率的でコンパクトな冷却のための実行可能なソリューションを提供し、パッシブ冷却とより優れたスペース利用を可能にします。
  • - 研究の限界点: 論文では、明示的な限界点は言及されていません。

8. 参考文献:

  • [1] US Department of Energy, Energy Efficiency of LEDs, PNNL-SA-94206, March 2013, Available: http://energy.gov/eere/ssl/downloads/energy-efficiency-leds.
  • [2] OSRAM GmBH, Viewed: 27 March 2016, Available: http://www.osram-os.com/osram_os/en/index.jsp.
  • [3] R. Singh, M. Mochizuki, Y. Saito, T. Yamada, T. Nguyen, Ti Nguyen, Heat pipes applications in cooling automotive electronics, Heat Pipe Sci. Technol. An Int. J. 6 (3) (2015) 1-13.
  • [4] M. Mochizuki, Y. Saito, K. Mashiko, T. Raay, R. Singh, High power heat removal by heat pipes & two phase heat transfer for electric vehicle, 53rd Japan Heat Transfer Symposium, (2016).
  • [5] B. Orr, A. Akbarzadeh, M. Mochizuki, R. Singh, A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes, Appl. Therm. Eng. (2016), https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.10.081.
  • [6] R. Singh, M. Mochizuki, Y. Saito, T. Yamada, T. Nguyen, Ti Nguyen, A. Akbarzadeh, Loop heat pipe applications in automotive thermal control, Proc. 17th International Heat

9. 著作権:

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