車両LEDフォグランプ開発のための熱流動解析

1. 概要:

  • タイトル: 車両LEDフォグランプ開発のための熱流動解析
  • 著者: イ・ソクヨン (이석영 / Suk Young Lee)
  • 発表年: 2019年
  • 掲載ジャーナル/学会: エネルギー工学 (Journal of Energy Engineering)
  • キーワード: LED, フォグランプ, 熱流動解析, 対流

2. 研究背景:

  • 研究トピックの社会的/学術的背景:
    • 従来、車両用フォグランプとして使用されていたハロゲン光源は、消費電力が高く、寿命が短いという欠点がありました。
    • これらの欠点を克服するために、自動車用光源技術は徐々にLED（発光ダイオード）に置き換えられる傾向にあります。
    • LED光源は、ハロゲン光源と比較して寿命が飛躍的に長く、燃料消費量とCO2排出量の削減にも効果的です。
    • また、LEDは小型チップで構成されているため、車両用LEDフォグランプの設計において、小型化と光源配置の柔軟性を高めることができます。
  • 既存研究の限界:
    • 車両用LEDフォグランプは、点灯時にLEDから発生する高熱により寿命が短くなる可能性があるという問題点を抱えています。
    • フォグランプ内部で発生する熱は、主にヒートシンクを介して排出されますが、残りの熱は対流によって外部に放出されます。
    • 既存の研究は、主にヒートシンクを利用した放熱方式に焦点を当てており、対流による冷却効率の改善に関する研究は不十分な状況です。
    • 対流による冷却効率が低下した場合、ランプの主要部品（レンズ、リフレクター、ベゼルなど）への熱蓄積やLED光源の高温暴露により、フォグランプの寿命が短くなる可能性があります。
  • 研究の必要性:
    • LEDフォグランプの寿命延長と性能向上のためには、対流を介した効率的な放熱メカニズムの開発が不可欠です。
    • 特に、フォグランプ内部の空気の流れを最適化し、対流熱伝達性能を最大化する設計技術が求められています。
    • 本研究は、ヒートシンクに加えて対流による放熱性能の改善に焦点を当て、車両用LEDフォグランプの冷却効率を向上させることを目的としています。
    • そのために、フォグランプ内部の空気を外部に効果的に排出し、外部の空気を取り込むことができる通気孔の最適な位置を設計することが研究の核心目標です。

3. 研究目的と研究課題:

  • 研究目的:
    • 本研究の主な目的は、車両用LEDフォグランプの放熱性能を向上させることです。
    • 特に、ヒートシンクを介した放熱方式に加えて、対流現象を活用して冷却効率を最大化しようとしています。
    • そのために、LEDフォグランプ内部の空気の流れを制御し、最適な通気孔の位置を設計して、熱が効率的に外部に排出されるようにすることを目指しています。
    • 最終的に、LEDフォグランプの寿命を延ばし、製品の信頼性を向上させることに貢献することを目指しています。
  • 主な研究課題:
    • 車両用LEDフォグランプの効率的な放熱のための最適な通気孔の設置位置はどこか？
    • 通気孔の位置変化によって、フォグランプ内部の空気の流れの特性と速度はどのように変化するか？
    • 通気孔の位置変化がフォグランプ内部の温度分布と平均温度に及ぼす影響は何か？
    • 対流熱伝達性能向上のための通気孔設計がLEDフォグランプの冷却効率に実質的に貢献するか？
  • 研究仮説:
    • フォグランプの上下に通気孔を設置するCase3モデルは、温度差によって生成される自然対流現象を効果的に誘導し、空気流速を増加させ、熱を効率的に排出することにより、既存モデル（Case1）に比べて優れた冷却性能を示すだろう。
    • 特定の通気孔位置は、フォグランプ内部の空気の乱流強度を増加させ、対流熱伝達をさらに活性化し、これはフォグランプ内部の温度低下に貢献するだろう。
    • 数値解析結果と実験結果を比較検証することにより、提案する通気孔設計の妥当性を立証することができるだろう。

4. 研究方法:

  • 研究デザイン:
    • 本研究は、車両用LEDフォグランプの熱管理性能向上に向けて、数値解析（Computational Fluid Dynamics, CFD）と実験的検証を並行する研究デザインを採用しました。
    • まず、ANSYS CFX v18.0商用ソフトウェアを使用してLEDフォグランプの熱流動解析を行い、様々な通気孔位置による冷却性能の変化を予測しました。
    • その後、数値解析結果を検証するために、実際のLEDフォグランプのプロトタイプを製作し、温度測定実験を通じて内部温度変化を測定し、数値解析結果と比較分析しました。
  • データ収集方法:
    • 数値解析 (CFDシミュレーション):
      • ANSYS CFX v18.0プログラムを使用して3次元熱流動解析を実施しました。
      • 既存のプロトタイプ（Case1）と通気孔の位置を変更したCase2、Case3モデルを設計して解析ケースを構成しました。
      • 各Case別にフォグランプ内部の空気の速度、温度、乱流強度分布などを数値的に計算しました。
    • 実験的検証 (温度測定):
      • 空気調和機実験装置を用いて実験環境を 조성しました (温度20℃、湿度RH40%、風速0m/s)。
      • 抵抗式温度センサーをフォグランプ内部の3箇所に設置し、10回測定を通じて平均温度を測定しました。
      • 実験測定値と数値解析結果を比較して、解析の妥当性を検証しました。
  • 分析方法:
    • メッシュ生成 (Mesh Generation): ANSYS内蔵のメッシュ生成プログラムを使用して、解析モデルに対するメッシュを生成しました。ノード数（Nodes）は251万個、要素数（Elements）は557万個で構成されたメッシュを使用して、計算の精度を確保しました。
    • 境界条件 (Boundary Conditions):
      • 解析条件はFig. 7のように、フォグランプ内部の空気出入口の位置と個数によって、既存のプロトタイプであるCase1、Case2、Case3に設定しました。
      • LEDの発熱量は1.5×10^4 W/m³に設定しました。
      • フォグランプ内部の流動は非圧縮性、乱流、粘性流動と仮定し、乱流モデルはk-εモデルを使用しました。
      • 作動流体は空気と仮定し、外部空気温度は20℃、空気速度は0m/s（車両停止状態）に設定しました。
    • データ分析: 数値解析結果から、各Case別のフォグランプ内部の空気速度分布（Fig. 10）、空気流線（Fig. 11）、空気温度分布（Fig. 12）、乱流強度分布（Fig. 13）などを分析し、平均空気速度、平均温度、平均乱流強度（Table 3）などの定量的な指標を比較分析して、通気孔の位置変化による冷却性能の変化を評価しました。実験測定値と数値解析結果を比較して、解析の正確性を検証しました（Table 2）。
  • 研究対象と範囲:
    • 本研究の研究対象は、車両用LEDフォグランプです。
    • 研究範囲は、LEDフォグランプ内部の熱流動現象分析および通気孔の位置変化による冷却性能評価に限定されます。
    • 多様な通気孔の形状およびサイズ変化に関する研究は、本研究の範囲から除外されました。
    • また、LEDフォグランプ外部の強制対流条件変化による冷却性能変化研究も、本研究の範囲に含まれていません。

5. 主な研究結果:

  • 主な研究結果:
    • 空気流速: Case3（フォグランプ上下通気孔設置）モデルが、Case1（既存プロトタイプ）、Case2（フォグランプ側面通気孔設置）モデルに比べて最も高い平均空気流速を示しました。特に、Case3の空気流速増加幅が他のCaseに比べて相対的に大きかったです。
    • 内部空気温度: Case3モデルが、Case2、Case1モデルの順に低い平均内部空気温度を示しました。Case3モデルの平均温度が最も低かったです。
    • 乱流強度: Case3モデルが、Case2、Case1モデルの順に高い平均乱流強度を示しました。Case3モデルの乱流強度が最も高かったです。
    • 実験検証: 実験測定値と数値解析結果の内部空気平均温度誤差が1.7℃で 나타나、数値解析の妥当性を検証しました。
  • 統計/定性分析結果:
    • Table 2. Experimental result: Positions 1 2 3 Average Temp.(°C) 63.2 33.7 37.9 44.9
      • 実験結果、LED付近（Position 1）の温度が最も高く、内部レンズおよびハウジング付近（Position 2, 3）の温度は相対的に低く 나타났습니다。3箇所の平均温度は44.9℃です。
    • Table 3. Calculated results: Items CASE1 CASE2 CASE3 Temperature (°C) 43.2 40.3 32.8 Velocity(mm/s) 2.11 2.32 3.16 Τ.Κ.Ε.(J/ton) 0.078 0.105 0.272
      • 数値解析結果、Case3モデルが最も低い平均温度（32.8℃）と最も高い平均速度（3.16 mm/s）および乱流強度（0.272 J/ton）を示しました。
    • Figure Name List:
      • Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle (車両に取り付けられたフォグランプ)
      • Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp (車両用フォグランプのプロトタイプ)
      • Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle (車両用LEDフォグランプの分解図)
      • Fig. 4. 3D modeling for analysis (解析用3Dモデリング)
      • Fig. 5. Fluid Region Extraction for Thermal Flow Analysis (熱流動解析のための流体領域抽出)
      • Fig. 6. Mesh generation (メッシュ生成)
      • Fig. 7. Set three parameters for the outside air entrance (外部空気入口の3つのパラメータ設定)
      • Fig. 8. Experimental equipment (実験装置)
      • Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment (実験用温度センサーの取り付け位置)
      • Fig. 10. Distribution of calculated air velocity in LED fog lamp (LEDフォグランプにおける計算された空気速度分布)
      • Fig. 11. Distribution of calculated air streamline in LED fog lamp (LEDフォグランプにおける計算された空気流線分布)
      • Fig. 12. Distribution of calculated air temperature in LED fog lamp (LEDフォグランプにおける計算された空気温度分布)
      • Fig. 13. Distribution of calculated air T.K.E. in LED fog lamp (LEDフォグランプにおける計算された空気乱流運動エネルギー分布)
Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle
Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle
Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp
Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp
Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle
Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle
Fig. 8. Experimental equipment
Fig. 8. Experimental equipment
Fig. 4. 3D modeling for analysis
Fig. 4. 3D modeling for analysis
Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment
Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment
  • データ解釈:
    • Case3モデル（フォグランプ上下通気孔設置）の優れた冷却性能は、次のように解釈できます。
      • フォグランプの上下に設置された通気孔は、フォグランプ内部の温度差によって発生する自然対流現象を効果的に誘導します。
      • 下部通気孔から外部の冷たい空気が流入し、上部通気孔から内部の熱い空気が排出される対流の流れが形成されます。
      • このような対流の流れは、フォグランプ内部の空気流速を増加させ、LEDから発生した熱を効率的に外部に排出する役割を果たします。
      • 一方、Case1、Case2モデルは、通気孔の位置が対流の流れの形成に不利であり、Case3に比べて冷却性能が低いと判断されます。
    • 特に、Case3モデルの高い乱流強度は、対流熱伝達をさらに活性化させ、冷却性能向上に貢献したと分析されます。

6. 結論と考察:

  • 主な結果の要約:
    • 本研究では、車両用LEDフォグランプの放熱性能向上に向けて、通気孔の位置変化による熱流動解析を行い、最適な通気孔の位置を設計しようとしました。
    • 数値解析の結果、フォグランプの上下に通気孔を設置したCase3モデルが、既存のプロトタイプ（Case1）に比べて最も優れた冷却性能を示すことを確認しました。
    • Case3モデルは、高い空気流速、低い内部温度、高い乱流強度を示し、これは上下通気孔が自然対流を効果的に誘導して熱を効率的に排出するためであると判断されます。
    • 実験測定値と数値解析結果の比較を通じて、数値解析の妥当性を検証しました。
  • 学術的意義:
    • 本研究は、車両用LEDフォグランプの冷却性能向上に向けた通気孔位置設計の重要性をCFD解析を通じて実証的に 제시했습니다。
    • 特に、フォグランプ上下通気孔配置が自然対流を効果的に誘導し、冷却性能を最大化できることを明らかにしました。
    • 本研究の結果は、LED照明システムの熱管理設計分野に学術的貢献をすることができると期待されます。
  • 実用的な意味合い:
    • 本研究の結果は、車両用LEDフォグランプ設計時に通気孔の位置選定に対する実質的なガイドラインを 제시합니다。
    • フォグランプ上下通気孔設計を通じて、LEDフォグランプの冷却性能を向上させ、製品寿命延長および信頼性向上に貢献することができます。
    • これは、自動車産業分野で高性能LEDフォグランプの開発および普及に貢献することができると期待されます。
  • 研究の限界:
    • 本研究は、特定のLEDフォグランプモデルおよび通気孔形状に関する研究結果であり、多様なLEDフォグランプデザインおよび通気孔形状に対する一般化には限界がある可能性があります。
    • 解析条件は車両停止状態（空気速度0m/s）と仮定しており、実際の車両走行条件での冷却性能変化は考慮していません。
    • 乱流モデルとしてk-εモデルのみを使用しており、他の乱流モデル適用による結果変化は分析していません。

7. 今後のフォローアップ研究:

  • 今後のフォローアップ研究の方向:
    • 多様な通気孔形状（サイズ、形状、個数など）変化によるLEDフォグランプ冷却性能研究
    • 車両走行速度変化および外部風条件変化を考慮したLEDフォグランプ熱管理性能研究
    • 多様な乱流モデル（例：k-ω、SST k-ωなど）適用および結果比較分析
    • ヒートパイプ、液体冷却など他の冷却技術と対流冷却方式の複合冷却システム研究
    • LEDフォグランプ材質変化（熱伝導率の高い材質適用）による冷却性能変化研究
  • さらなる探求が必要な分野:
    • 最適設計されたLEDフォグランプの実際の車両装着後の性能評価および耐久性試験
    • LEDフォグランプの発光効率および消費電力変化に関する研究
    • LEDフォグランプの光学的性能（配光特性、光量など）変化に関する研究
    • 多様な環境条件（高温、低温、湿度など）でのLEDフォグランプ性能評価

8. 参考文献:

  1. Kim, C. S. et al., 2008, Lifetime Estimation of an Automotive Halogen Lamp, Journal of Mechanical Science and Technology, Autumn Scientific Congress, pp. 1259-1264
  2. Shin, J. H., et al., 2011, A Study on design direction of automotive lamp through diver cases applied LED technology, Journal of Korean society of design science 24, pp. 47-57
  3. Kang, B. D., et al., 2009, Evaluation of fuel consumption between LED headlamp and halogen headlamp, KSAE09-A0294 pp. 1709-1714
  4. Jung, E. D., et al., Development of a heat dissipating LED headlamp with silicone lens to replace halogen bulbs in used cars, Applied Thermal engineering, volume 86, pp. 143-150
  5. Lee, J. W., et al., 2014, A Study to Compared on Maintenance and Electricity Energy Saving, to be Replaced by Halogen Lighting Fixtures and LED Lighting Fixture, in Workship Concert, Journal of Communications and Networks, pp. 63-64
  6. Sim, W. S., et al., 2016, Study on the development of lens-attached LED fog lamps for replacing halogen fog lamps, The Conference of Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 280-282
  7. Chang, Y. K., et al., 2010, A Study of Thermal Factor of Automotive Lamps using CFD, The Conference of Korean Society of Automotive Engineers, pp. 877-883
  8. Jang, J. Y., et al., 2016, Thermal Analysis for the Development of the Railway Vehicle LED Headlamp Heat Sink, The Conference of Korean Society For Railway, pp. 944-947

9. 著作権:

  • この資料は、イ・ソクヨン (Suk Young Lee)氏の論文「車両LEDフォグランプ開発のための熱流動解析 (Thermal Flow Analysis for Development of LED Fog Lamp for Vehicle)」に基づいています。
  • 論文ソース: https://doi.org/10.5855/ENERGY.2019.28.4.035

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