1. 概要:

題名: 高出力LEDヘッドランプの放熱設計(Heat Dissipation Design of High Power LED Headlamp)
著者: Tiecheng Gao, Suying Yao, Yanjin Ai
発行年: 2012年
発行誌/学会: Advanced Materials Research Vols. 468-471
キーワード: ヘッドランプ、発光ダイオード、ヒートパイプ

2. 研究背景:

高輝度白色発光ダイオード（LED）は、多くの新しい照明用途において非常に有望です。LED光源は、長寿命、高速応答、環境への配慮（水銀不使用）、キセノン光源（4000K）よりも自然光に近い色温度（5500K～6000K）といった利点を持ちます。自動車産業の発展とLEDの効率向上により、室内灯、ブレーキランプ、ステアリングランプ、テールランプなど、多くの自動車部品にLEDが広く使用されるようになりました。しかし、ヘッドランプは高い輝度が求められるため、LEDヘッドランプは未だ概念車にしか搭載されていません。本研究は、高効率の省エネルギー光源としてのLEDをヘッドランプに適用するために、高出力LEDの放熱問題解決が重要な課題であることを指摘し、研究の必要性を強調しています。従来のヒートシンクを用いた空冷方式は、自動車のエンジンルームの高温環境、重量増加、安定性の問題から自動車用ヘッドランプには適さない点を指摘しています。

3. 研究目的と研究課題:

研究目的: 高出力LEDヘッドランプのための効果的な冷却システムを調査し、ヒートパイプベースの冷却方式の性能を評価し、実際のヘッドランプへの適用可能性を確認すること。
主要な研究課題: ヒートパイプベースの冷却システムは、高出力LEDヘッドランプの熱管理においてどの程度効果的か？
研究仮説: ヒートパイプを用いた冷却システムは、従来のヒートシンク方式よりも高出力LEDヘッドランプの熱管理においてより効果的である。

4. 研究方法:

研究設計: シミュレーションと実験的研究設計の組み合わせ。Flothermソフトウェアを用いて、ヒートシンク方式とヒートパイプ方式の熱性能をシミュレーションし、実製品を試作して実験を行い、シミュレーション結果との一致性を検証しました。
データ収集方法: Flothermソフトウェアによるシミュレーションと、試作されたヘッドランプを用いた実験を通して温度データを収集しました。
分析方法: シミュレーション結果と実験結果を比較分析することにより、ヒートパイプベースの冷却システムの効率性を評価しました。
研究対象と範囲: 特定の乗用車の複合型ヘッドランプ構造に基づいた高出力LEDヘッドランプ。LED光源は、3つの線形パッケージLED（5つのチップ、4.5～5.5mm、700mA動作電流、12W総電力、1000lm以上の光束、最大接合温度150度、120°ランバート光）を使用しました。

5. 主要な研究結果:

主要な発見: ヒートシンクを用いた空冷方式は、エンジンルームの温度（50度）でLEDチップの温度が108度に上昇し、大型で重量があるため車両の燃費と信頼性に影響を与えるため、自動車用ヘッドランプには適していません。強制冷却方式もランプの安定性に影響を与えるという欠点があります。一方、ヒートパイプを用いた冷却システムは、熱を効果的に伝達し、LED接合温度を78度に下げることができました。シミュレーション結果と実際の試作品テスト結果は一致しました。
統計的/質的分析結果: Flothermシミュレーションと試作品テストの結果を比較分析することで、ヒートパイプベースの冷却システムの効果を定量的に検証しました。ヒートシンク方式ではLEDチップ温度が108度、ヒートパイプ方式では78度となり、ヒートパイプ方式の優位性が確認されました。
データ解釈: ヒートシンクの場合、大型の放熱器が必要となるため重量と体積が増加し、自動車用ヘッドランプの空間制約や安定性に悪影響を及ぼします。一方、ヒートパイプは高い熱伝導率、小型化、制御可能な温度などの利点を持ち、熱管理に効果的であることが示されました。
図表一覧と説明:
- 図1: LEDモジュールの図。
- 図2: ヒートシンクを使用したLEDのFlothermシミュレーション結果。ヒートシンク温度59.5～59.9度、LEDチップ温度108度。
- 図3: ヒートパイプを用いた熱管理システムのFlothermシミュレーションモデル。
- 図4: ヒートパイプとヒートシンクを組み合わせたLEDヘッドランプの放熱構造図。

Fig .4 Thermal management of LED head lamp

6. 結論と考察:

本研究は、ヒートパイプを用いた冷却システムが高出力LED自動車前照灯の放熱問題を解決できることを示しています。ソフトウェア分析と試作品テストの結果は基本的に一致しており、ヒートパイプベースの放熱システムが効果的な熱管理に貢献することを確認しました。しかし、ヒートパイプ放熱器には依然として限界があり、より高度な知能的な放熱方式の開発が必要です。

7. 今後の研究:

ヒートパイプ放熱器の限界を克服し、さらに優れた熱管理システムを開発するため、より高度な知能型放熱方式の研究が必要です。様々な環境条件（温度、湿度など）下での性能評価と最適化研究も必要です。

8. 参考文献要約:

[1] Pearson, T., Mounier, E., Eloy, J.C., Jourdan, D., “Solid-state lighting in the automobile: concept,market timing and performance,” LEDs Magazine, pp.25-27, Apr. 2005.
[2] Stratford, J and Musters, A, “Insulated metal printed circuits a user-friendly revolution in power design, "Electronics Cooling, vol. 10, pp. 30-34, Nov. 2004
[3] Flomerics Ltd., FloThermTM 6.1 Instruction Manual, 2005.
[4] Y. Lai, N. Cordero, F. Barthel, F. Tebbe, J. Kuhn, R. Apfelbeck, D. Würtenberger,Liquid cooling of bright LEDs for automotive applications, in: Proc. of the Therminic 2006, pp. 80 – 85
[5] L. Kim, J.H. Choi, S.H. Jang, et al., Thermal analysis of LED array system with heat pipe, Thermochim. Acta 455 (2007) 21–25.

著作権:

この要約は、Tiecheng Gao、Suying Yao、Yanjin Ai著の論文「高出力LEDヘッドランプの放熱設計」に基づいて作成されました。