高出力自動車用LEDヘッドランプの冷却設計の要約

本稿は、「Applied Mechanics and Materials」によって発行された論文「The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile」に基づいています。

Fig. 1 The LED headlamp cooling system of Lai Fig. 2 The LED headlamp system of Sunho Jang In 2008
Fig. 1 The LED headlamp cooling system of Lai Fig. 2 The LED headlamp system of Sunho Jang In 2008

1. 概要:

  • 論文名: The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile
  • 著者: Chenyang Liu, Mo Yin, Xufeng Cheng, Guodong Yin and Xiaoquan Zheng
  • 発行年: 2014
  • 学術誌/発行学会: Applied Mechanics and Materials
  • キーワード: White LED, automotive headlamp, heat dissipation.

2. 抄録:

高出力白色LEDの光束がさらに向上するにつれて、LEDは徐々に白熱灯やハロゲンランプに取って代わり、自動車照明の「第4世代光源(fourth generation light)」となるでしょう。現在、自動車用ヘッドランプへのLED応用には依然として多くの技術的困難があり、その中でも克服がより困難なものの一つがLEDヘッドランプの放熱(heat dissipation)問題です。本稿では、現在のLEDヘッドランプの放熱ソリューションを紹介し、放熱を改善するための将来の方向性を示します。

3. 緒言:

白色LEDは、小型、長寿命、低エネルギー消費、耐振動性、高速起動時間、環境保護などの利点により、新世代の自動車光源技術としてより良い選択肢となっています。自動車用ヘッドランプの光源としてLEDを使用することには多くの独自の利点があります。ほぼゼロの起動時間や低電圧電気安全性、長寿命といった特性に加え、特に複数のLEDランタンで構成できるため、LEDランプの外観を大幅に可塑化できます。中国は自動車産業が大きく発展する時期にあり、LEDヘッドランプの開発は自動車産業の発展を促進する上で大きな意義があります。

4. 研究の要約:

研究トピックの背景:

LEDヘッドランプの開発は、いくつかの重要な課題に直面しています。LEDにおける電気エネルギーのかなりの部分、約70%が熱エネルギーに変換され、光になるのはわずか10%～30%です。効果的な冷却システムなしで長時間動作する高出力LEDカーヘッドランプの場合、LED温度が上昇する可能性があります。温度が125°Cを超えると、LEDの発光効率の低下や故障につながる可能性があります。したがって、自動車ヘッドランプにおけるLEDの広範な採用のためには、より優れた放熱システムの研究が不可欠です。

放熱(Heat-dissipation)は、LEDヘッドランプ、特に高出力LED（単一チップで1W以上を達成するものと定義）の開発における主要な障害として認識されています。熱が時間内に放散されない場合、LEDチップの接合部温度が急速に上昇し、炭化ケイ素(silicon carbide)が黄変したり、LEDの寿命が短縮されたり、さらには故障に至る可能性があります。

その他の重要な側面は次のとおりです。

  • LEDヘッドランプ駆動電力(Driving-power): 高出力LEDの光学的・電気的特性は、光度が駆動電流によって決定されることを意味し、小さな電圧変動がLED電流の大きな変動を引き起こし、輝度に影響を与える可能性があります。駆動電力設計は、定電流出力、放熱、効率、力率、およびさまざまな保護を保証する必要があります。
  • 光学設計(Optical design): 優れた光学設計は、LEDライトの標準的な輝度を確保し、エネルギー使用効率を高め、ひいては照明要件を満たす前提で発生する熱を低減するために必要です。
  • LED発光効率(luminous efficiency): 低い発光効率と電気-光学変換効率は重要な問題です。改善には、半導体材料、チップ構造設計、製造プロセスなどの側面からの研究が必要です。

先行研究の状況:

本稿は、既存のLEDヘッドランプ冷却ソリューションと現在の研究開発を要約しています。

既存のソリューションと分析 (熱問題 - Thermal Issue):
LEDヘッドランプの温度は一般的に80°C未満であることが要求されます。現在の冷却ソリューションには以下が含まれます。

  • フィンとファンの組み合わせ (Fin and fan combination) [1]: フィン付き放熱領域と強制対流熱伝達用のファンを使用する一般的な方法。100 W/m2未満の熱流束密度に適していますが、信頼性と安定性が低い場合があります。
  • 液冷式熱放射 (Liquid-cooled thermal radiation) [2]: 通常は水冷で、追加の空気流路を必要とせずにヒートシンクのサイズを縮小します。しかし、高温、振動などの過酷な環境には適用できない場合があり、この技術は現在、概念段階にとどまっています。
  • ヒートパイプ放熱技術 (Heat-pipe dissipation technology) [3]: 熱伝導の原理と冷却媒体の迅速な熱伝達特性を利用して、物体の熱をヒートパイプを介して迅速に環境に放出します。熱伝達効率は高いですが、コスト増につながる他の放熱方法と組み合わせる必要があります。
  • マイクロチャネル冷却技術 (Micro-channel cooling technology) [4]: 1980年代にTuckermanとPeaseが幅50mm、厚さのマイクロチャネル冷却方式を報告しました。Goodsonは液体電気浸透駆動サイクルを用いた電気浸透ポンプを作成しました。電気浸透ポンプは可動部品がなく、消費電力が少なく、熱流束が200Wの場合、電気浸透ポンプで駆動されるマイクロチャネル冷却パターンは温度を20°C低下させることができ、ポンプの消費電力は1W未満です。
  • 半導体冷凍技術 (Semiconductor refrigeration technology) [5]: ペルチェ効果(Peltire effect)を利用する熱電冷凍で、熱電冷凍材料の最適係数は約2.45*10-3/Kであり、冷凍効率はカルノーサイクル効率のわずか10%に相当し、比較的低いです。
  • 上記の冷却技術以外にも、超音波冷凍(Ultrasonic refrigeration)、超電導冷凍(superconducting refrigeration)などがありますが、コスト、限られた用途、低い放熱能力などの多くの要因により、自動車用LEDヘッドランプには適用できません。

国内外の冷却技術に関する現在の研究:

  • 2006年、Lai [6] はLEDヘッドランプ冷却方式を報告しました (fig.1)。単一LED電力は2.5Wで、ロービームとハイビームはそれぞれ15個のLEDで構成され、各グループには5つのコールドプレートに固定された3つのLEDが含まれ、ロービームライトとハイビームは同時に点灯しないため、総熱出力は37.5Wです。液冷システムは、ポンプ、パイプ、貯水タンク、熱交換器、およびフレキシブルホースで構成されます。水がポンプから流れると、最初にロービームコールドプレートを流れ、次にハイビームコールドプレートを流れ、再びラジエーターを通り、最終的にポンプに戻ります。シミュレーション結果では、最初のコールドプレートと比較して、最後のコールドプレートLEDデバイスのLEDチップ温度上昇は5°C未満でした。
  • 2008年、Sunho Jang [7] は、各LED電力が1Wの30個のLEDで構成されるLEDヘッドランプ冷却システムデバイスを設計しました (fig.2)。彼はランプシェルの側面に換気チャネルのセットを設計し、車が走行しているとき、PCBで発生した熱は速度が上がるにつれて対流風によってすぐに奪われるようにしました。この種の構造の利点は、ランプケース内の内部環境を25°Cに保ち、放熱に適していることです。コストを削減し、信頼性を向上させることがより重要です。最終的に、計算結果は、最高温度のLEDチップが34°Cであり、LEDの放熱性能を大幅に向上させ、LEDの寿命を延ばすことを示しました。
  • Schefenacker [8] 社は、図3に示すように、内部LEDライトに冷却ファンを追加した一種のLEDカーヘッドランプ冷却パターンを提案しました。このモデルは、ファンに依存して回路基板と内部ランプ間の熱を交換し、その結果、空気温度が均一になります。内部ランプ本体の空気温度がより均一になるため、冬のヘッドランプの曇りを防ぐことができます。
  • 2006年、Luo Xiaobing教授 [9] は、高出力LEDアレイを冷却するためにマイクロスプレーを使用した華中科技大学での実験結果を図4に示しました。彼らは冷却システムを最適化する作業を行いました。実験結果は、マイクロスプレー冷却システムが総電力220WのLEDアレイに適用できることを示し、室温が30.8°Cの場合、LED底部温度は69.4°Cに達し、ファンとマイクロポンプの総エネルギー消費は5.8Wでした。
  • 2010年、Luo jing [10] は、ヒートパイプと放熱フィンで構成されるLEDヘッドランプ冷却システムを設計しました。ハイビームは7つの高出力LEDで構成され、LED動作電流は700mA、ハイビーム総電力は18Wでした (図5)。この方式は、高出力LED冷却モジュールにヒートパイプ技術を適用し、LED溶接プレートと熱伝導ガスケットをヒートパイプの基部に固定し、ヒートパイプの円の周りに一連のヒートパイプフィンを追加しました。ロービームは3つのストレートパッケージLEDチップで構成され (fig.6)、彼女はLEDボードをネジでPCB取り付け台座に固定し、ランプシェルに接続された冷却本体の間に調整ギアを取り付けました。調整ギアによってランププレート取り付け台座コンポーネントをランプシェルに接続し、ロービームの光形状を調整できました。溶接されたヒートパイプと特殊な放熱フィンが溶接されたアルミニウムベースは、2つの物体が冷却フィンコンポーネントを形成し、ランプシェルの背面から冷却フィンコンポーネントを搭載しました。最後の結果はシミュレーションと実験によって得られ、50°Cのシミュレートされたランプ動作環境下で、ハイビームLED温度は65°Cに達し、ロービームLED温度は80°Cに達することができ、この技術はLED接合部温度を大幅に低下させることができます。

国内外のLEDヘッドランプ特許技術の開発概要:

  • Benz Corp Company [11]: ランプの背面を二重構造として設計し、内部を真空にすることで、ランプ内およびエンジンベイ内の高温空気からの熱を防ぎます。Figure 6は、Benz Corp Company [11]によって設計されたLED自動車ヘッドランプシステムを示しています。
  • German Stanley [12]: 放射装置は、高熱伝導率の材料で作られた熱伝導プレート(14,15)、接続プレート(16)、およびブラケットで構成されています。熱伝導プレートと接続プレートは、内部ランプの放射面積を拡大し、内部ランプの温度を分散させます。Figure 7は、German Stanley [12]によって設計されたLED自動車ヘッドランプシステムを示しています。
  • Koito[13]: 日本の自動車ランプメーカー。LED(34)によって生成された熱は、金属シート、フレキシブルヒートパイプ、および放射フィンを介して環境に伝達されます。Figure 8は、Koito[13]によって設計されたLED自動車ヘッドランプシステムを示しています。
  • Osram [14]: LEDデバイスは高熱伝導率の金属ブロック(23)に配置され、次に金属サーマルカラムに接続され、熱がヒートシンク(24)まで伝導されるようにします。Figure 9は、Osram [14]によって設計されたLEDヘッドランプシステムです。
  • 中国の「第11次5カ年計画」には、「自動車用LED光源システム開発」[15]などの研究トピックが含まれていました。これまでに、BenTeng B50車をベースにしたLEDヘッドランプが実現しています (fig.10)。冷却装置はヒートシンクです (fig. 11)。B50ヘッドランプは、ハイビーム、ロービームライト、交通信号灯、方向指示器などで構成され、B50ハイビームシステムは、ハイビームが接続されるとロービームも点灯するようになっています。設計者は5つのLED光源を計画し、ロービームは3つのLED光源、ハイビームは2つのLED光源で、各LED電力は15Wです。

研究の目的:

本稿の目的は、現在のLEDヘッドランプの放熱ソリューションを紹介し、放熱を改善するための将来の方向性を提供することです。この研究は、LEDヘッドランプが80°C未満で動作することを保証するために、高効率の放熱技術を設計することの重要性を強調しています。

核心研究:

核心研究は、高出力自動車用LEDヘッドランプに適用可能な既存の放熱技術の包括的なレビューと要約を含みます。これには、さまざまな冷却方法の分析、国内外の最近の研究進捗の概要、および主要な自動車ランププロバイダーやメーカーからの特許技術の調査が含まれます。本稿は、この情報を統合して主要な課題を浮き彫りにし、LEDヘッドランプの冷却性能を向上させるための将来の方向性を提案します。

5. 研究方法論

研究設計:

本研究は文献レビュー方法論を採用しています。LEDヘッドランプ冷却技術に関連する既存の学術論文、会議議事録、特許、および技術報告書から情報を体系的に収集、統合、および議論します。

データ収集および分析方法:

データは、公開された科学技術文献から収集されました。分析には、さまざまな冷却ソリューションの分類、さまざまな研究努力や特許設計からの主要な発見の要約、およびLEDヘッドランプ熱管理の分野における一般的な課題と傾向の特定が含まれていました。本稿は、一次的な実証研究や新しい実験データの生成を伴うものではなく、むしろ最先端技術の記述的かつ分析的な概要を提供します。

研究トピックと範囲:

主要な研究トピックは、高出力自動車用LEDヘッドランプの放熱の課題と解決策です。範囲は以下をカバーします。

  • LEDにおける発熱の根本的な問題。
  • さまざまな冷却技術（例：フィンファン、液体冷却、ヒートパイプ、マイクロチャネル、熱電冷却）。
  • 学術および産業界からのLEDヘッドランプ冷却システムのR&Dの具体例。
  • 自動車メーカーからの特許取得済み冷却設計。
  • LEDヘッドランプの熱性能を改善するための将来の戦略。

6. 主要な結果:

主要な結果:

  • 放熱は、自動車用ヘッドランプにおける高出力LEDの適用を妨げる主要な技術的困難です。効率的な熱管理は、性能と寿命を維持するために不可欠であり、目標動作温度は80°C未満です。
  • さまざまな冷却ソリューションが存在し、それぞれに特定の利点と欠点があります。
    • フィンとファン (Fin and fan): 一般的ですが、信頼性が低い場合があります。
    • 液体冷却 (Liquid cooling): ヒートシンクのサイズを縮小しますが、過酷な環境には適さない場合があります。
    • ヒートパイプ (Heat pipes): 高効率ですが、多くの場合、他の方法との組み合わせが必要です。
    • マイクロチャネル冷却 (Micro-channel cooling): 高熱流束に効果的で、コンパクトな設計の可能性があります。
    • 半導体冷凍 (Semiconductor refrigeration): 相対的に効率が低いです。
  • 具体的な研究例（例：Lai [6]、Sunho Jang [7]、Schefenacker [8]、Luo Xiaobing [9]、Luo jing [10]）および特許技術（例：Benz [11]、Stanley [12]、Koito [13]、Osram [14]）は、LEDヘッドランプ冷却への継続的な取り組みと多様なアプローチを示しています。
  • 中国は、BenTeng B50 LEDヘッドランプに代表されるように、LEDヘッドランプの研究を積極的に推進してきました。
  • LEDヘッドランプ性能の将来の改善は、主に2つのアプローチに依存します。
    1. LED自体の改善:
      • 内部熱抵抗を低減するためのLED封止技術の強化。
      • 発熱を低減するためのLED電気-光学変換効率の改善。
      • より高い温度に耐えることができる新しいLEDの開発により、熱設計の難易度を低減。
    2. 合理的な放熱装置の設計:
      • 異なる構造のヘッドランプに適した冷却システム（ヒートパイプ、ファン、水冷など）を選択します。ヒートパイプ、ファン、水冷など、熱を迅速に放出できることを保証するだけでなく、放熱装置が安定して動作することも保証する必要があります。
      • 次に、フィン構造の形状やサイズを考慮し、十分な放熱面積とより良い冷却効果を確保する必要があります。
Fig. 3 The LED headlamp cooling system
Fig. 3 The LED headlamp cooling system
Fig. 5 The LED headlamp cooling system of Luojing
Fig. 5 The LED headlamp cooling system of Luojing
Fig. 8 The LED headlamp of Koito Fig. 9 The LED headlamp of OSRAM
Fig. 8 The LED headlamp of Koito Fig. 9 The LED headlamp of OSRAM

図の名称リスト:

  • Fig. 1 The LED headlamp cooling system of Lai
  • Fig. 2 The LED headlamp system of Sunho Jang
  • Fig. 3 The LED headlamp cooling system of Schefenacker company
  • Fig. 4 The Micro-jet cooling system
  • Fig. 5 The LED headlamp cooling system of Luojing
  • Fig. 6 The LED headlamp of Bens
  • Fig. 7 The LED headlamp of Stanley
  • Fig. 8 The LED headlamp of Koito
  • Fig. 9 The LED headlamp of OSRAM
  • Fig.10 The LED headlamp of Benteng B50
  • Fig. 11 The B50 LED headlamp cooling device

7. 結論:

上記の記事では、国内外に存在するLEDヘッドランプ応用に関する多くの重要な問題、特にLEDヘッドランプの放熱に関する問題が紹介されています。また、現在、いくつかの自動車ヘッドランプおよびLEDヘッドランプ特許の異なる放熱方法がリストアップされており、将来の改善方向についても議論されています。高効率の放熱技術をどのように設計するかによってLEDヘッドランプを80°C以下で動作させることが不可欠であり、それが本研究部分の意味するところです。

8. 参考文献:

  • [1] Hetsroni G, Mosyak A, Segal Z, et al:International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 5 (2002), No.16, p.3275-3286.
  • [2] Cohen A B: IEEE Transaction on Componets, Hybrids and Manufacturing Technology, 1987, Vol. 10 (1987), No.2, p.159-175.
  • [3] Nguyen T, Mochizuki M, Mashiko K, et. al. Use of heat pipe/heat sink for thermal managenlent of high performance CPUs. in: Proceeding of Sixteenth IEEE Semi-Thermtm Symposium. San Jose, USA, 2000, p.76-79.
  • [4] Lee D Y, Vafai K: International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 42 (1999), No.9, p.1555-1568.
  • [5] Disalvo F J. Thermoelectric cooling and power generation. Science, Vol. 285 (1999), p.703-706
  • [6] Lai Y, Cordero N, Barthel F, et al. Liquid cooling of bright LEDs for automotiveapplications. in: Proceedings of the 12th International Workshop on Thermal Investigationof ICs and Systems, Nice, France, 2006. p.80-85
  • [7] Sunho Jang and Moo Whan Shin: Member: Device and Materials Reliability, Vol. 8 (2008), No.3, p.561-564.
  • [8] Information on http://www.ledsmagazine.com.
  • [9] Luo X B, Liu S: A closed micro jet cooling system for high power LEDs. in: Electronic Packaging Technology, ICEPT '06. 7th International Conference on China, 2006.p.592-598.
  • [10] Luo Jing: Automotive engineer, Vol. 3 (2011), p.27-28.
  • [11] Wakabayashi N, Yamauchi S: Lighting device for use in automotive headlight, hasloop-type heat pipe with heat receiving portion thermally connected to light source and heat releasing portion thermally connected to connecting portion of housing. JP, A, 2006164967, 2004.11.12.
  • [12] Ui K. LED lamp e.g. headlamp of motor vehicle, consists of thermally conductive aluminum plates fixed at upper and lower sides of lamp unit in resin case. JP, A, 2006302753, 2006.11.2.
  • [13] Inoue T, Yagi S. Vehicle lamp e.g. headlamp, for forming low-beam distribution pattern, has metal bracket tiltably supported by lamp body with heat sink, where heat sink and bracket are connected by flexible heat pipe with high thermal conductivity. US, A1, US 2007025105, 2007.2.1.
  • [14] Coushaine C M. LED light source for e.g. headlight has electrical conductors, each with tension reliever that compresses when printed circuit boards are assembled to central heat conductor, and heat sink in thermal contact with one board. US, B2, 7075224, 2006.7.11.
  • [15] Information on http://club.autohome.com.cn/bbs/thread-c-632-8773997-1.html.
  • [16] Chenyang Liu: The design for high-power LED headlamps research, master degree thesis, Northeastern university,China,2013.

9. 著作権:

  • 本資料は、「Chenyang Liu, Mo Yin, Xufeng Cheng, Guodong Yin and Xiaoquan Zheng」による論文です。「The Summarize of High Power LED Headlamps Cooling Design of Automobile」に基づいています。
  • 論文の出典: doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.494-495.32

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