1. 概要:

論文タイトル: 高出力LED用新規自動化ヒートパイプ冷却装置（A novel automated heat-pipe cooling device for high-power LEDs）
著者: Chengdi Xiao, Hailong Liao, Yan Wang, Junhui Li, Wenhui Zhu
発行年: 2016年
発行誌: Applied Thermal Engineering
キーワード: 高出力LED、ヒートパイプ、自動冷却システム、数値シミュレーション

2. 研究背景:

高出力LEDは、照明、広告ディスプレイ、自動車用ヘッドライト、交通信号など、幅広い用途で人気が高まっています。蛍光灯や白熱灯と比較して、寿命が長く、信頼性が高く、省エネルギーで、応答速度が速く、様々な色を実現でき、環境にも優しいという利点があります。しかし、現在の技術レベルでは、高出力LEDのエネルギー効率は15～25％程度であり、残りの80％以上は熱として消費され、高い接合部温度を引き起こします。接合部温度は、性能と寿命を確保するために通常120℃以下に維持する必要があります。特に、3000lm/ランプ以上の高出力LED照明では、大量生産と幅広い用途において熱問題が重要な課題となります。従来の研究では、能動型、受動型、ハイブリッド冷却装置など、様々な冷却システムが高出力LEDの熱管理のために開発されてきましたが、自動制御機能が不足しているか、ファン故障時にシステム全体が故障するという問題がありました。そのため、信頼性が高く、効率的で、自己調整または自動制御機能を備えたヒートパイプ放熱器が必要とされています。

Fig. 5. Schematic of cooling system assembled with different number of heat pipes:(a) is 2 heat pipes, (b) is 3 heat pipes, (c) is 4 heat pipes, and (d) is 6 heat pipes.

3. 研究目的と研究課題:

研究目的: 高出力LEDの効率的な熱管理のための新しい自動化ヒートパイプ冷却装置を開発し、その性能を評価すること。
主要な研究課題: マイクロコントローラー、ヒートパイプ、ファンを統合した自動化冷却装置が、高出力LEDの基板温度を安定的に制御し、LED接合部温度を適切な範囲に維持し、LEDの性能と寿命を向上させることができるか？
研究仮説: マイクロコントローラー、ヒートパイプ、ファンを統合した自動化冷却装置は、高出力LEDの基板温度を自動制御し、安全に保護し、LED接合部温度を適切な範囲に維持することができます。

4. 研究方法:

研究計画: 実験と数値解析によるアプローチ
データ収集方法: マイクロコントローラー、PWMファン、ヒートパイプ、冷却フィンから構成される自動化冷却装置を作成し、高出力LEDモジュールを取り付けて実験を行いました。K型熱電対を使用して、LED基板温度と周囲温度を測定しました。ANSYS Icepak 14.5ソフトウェアを使用して冷却システムの数値モデルを作成し、実験結果と比較して検証しました。
解析方法: 実験データは、温度制御性能、信頼性、熱性能評価に使用されました。数値モデルは、定常状態熱性能解析に使用され、ヒートパイプ、冷却フィン、ヒートプレートの影響を分析しました。PID制御アルゴリズムを使用して制御システムを設計しました。
研究対象と範囲: 4つの3W高出力LEDモジュールを使用し、ヒートパイプの数、冷却フィンの設計、ヒートシンクの形状など、様々なパラメータに関する実験と数値解析を行いました。

5. 主要な研究結果:

主要な発見: 開発された自動化冷却装置は、高出力LEDの基板温度を自動制御し、12WにおいてRsa（ヒートシンクから周囲への熱抵抗）は0.373℃/W、Rja（LEDチップから周囲への熱抵抗）は5.953℃/Wに維持し、適切な接合温度を維持することでLEDの性能と寿命を向上させることができます。総消費電力は1.58W未満です。ヒートパイプと冷却フィンの数を増やすことは、熱伝達を向上させる効果的な方法であることが確認されました。
統計的/定性的分析結果: 実験結果は数値モデルの予測結果とよく一致しており、モデルの妥当性を確認しました。様々なヒートパイプ数、冷却フィン設計、ヒートシンク形状による熱性能の変化を分析しました。
データ解釈: 実験と数値解析の結果は、自動化冷却システムの性能を評価し、設計パラメータの影響を分析するために使用されました。
図表リストと説明: (図表の内容は原文を参照ください。)

6. 結論と考察:

開発された自動化ヒートパイプ冷却装置は、高出力LEDの熱管理に効果的で、基板温度を自動制御し、安全に保護し、接合温度を適切な範囲に維持します。ヒートパイプと冷却フィンの数を増やすことが熱伝達を向上させる効果的な方法であることを確認しました。本研究の数値モデルは実験結果とよく一致し、モデルの妥当性を検証しました。本システムは信頼性が高く、省エネルギーで、冷却効率に優れています。ただし、実験環境の制約やLEDの種類の限定など、今後の研究で考慮すべき点があります。

7. 今後の研究:

様々な高出力LEDや実際の環境条件下での追加的な実験と数値解析を行い、本システムの性能をさらに向上させることができます。また、制御アルゴリズムやシステム設計の最適化のための更なる研究が必要です。様々な形状のヒートパイプや冷却フィンを用いた設計最適化研究も進めることができます。

8. 参考文献:

[1] I. Takai, S. Ito, K. Yasutomi, K. Kagawa, M. Andoh, S. Kawahito, LED and CMOS image sensor based optical wireless communication system for automotive applications, IEEE Photonics J. 5 (5) (2013) 6801418–6801419.
[2] D.F. Feezell, J.S. Speck, S.P. DenBaars, S. Nakamura, Semipolar InGaN/GaN lightemitting diodes for high-efficiency solid-state lighting, J. Display Technol. 9 (4) (2013) 190–198.
[3] J. Cho, E.F. Schubert, J.K. Kim, Efficiency droop in light-emitting diodes: challenges and countermeasures, Laser Photonics Rev. 7 (3) (2013) 408–421.
[4] C.C. Hsieh, Y.H. Li, C.C. Hung, Modular design of the LED vehicle projector headlamp system, Appl. Opt. 52 (21) (2013) 5221–5229.
[5] K.S. Yang, C.H. Chung, M.T. Lee, S.B. Chiang, C.C. Wong, C.C. Wang, An experimental study on the heat dissipation of LED lighting module using metal/carbon foam, Int. Commun. Heat Mass Transfer 48 (2013) 73–79.
[6] N. Narendran, Y. Gu, J.P. Freyssinier, H. Yu, L. Deng, Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs, J. Cryst. Growth 268 (3–4) (2004) 449–456.
[7] N. Narendran, Y. Gu, Life of LED-based white light sources, J. Display Technol. 1 (1) (2005) 167–171.
[8] Y. Tang, X. Ding, B. Yu, Z. Li, B. Liu, A high power LED device with chips directly mounted on heat pipes, Appl. Therm. Eng. 66 (1–2) (2014) 632–639.
[9] S.S. Hsieh, Y.F. Hsu, M.L. Wang, A microspray-based cooling system for high powered LEDs, Energy Convers. Manage. 78 (2014) 338–346.
[10] S. Liu, J. Yang, Z. Gan, X. Luo, Structural optimization of a microjet based cooling system for high power LEDs, Int. J. Therm. Sci. 47 (8) (2008) 1086– 1095.
[11] S.F. Sufian, Z.M. Fairuz, M. Zubair, M.Z. Abdullah, J.J. Mohamed, Thermal analysis of dual piezoelectric fans for cooling multi-LED packages, Microelectron. Reliab. 54 (8) (2014) 1534–1543.
[12] J. Li, X.R. Zhang, C. Zhou, J.G. Zheng, D.S. Ge, W.H. Zhu, New applications of an automated system for high-power LEDs, IEEE-ASME Trans. Mechatron. 21 (2) (2016) 1035–1042.
[13] J. Li, B. Ma, R. Wang, L. Han, Study on a cooling system based on thermoelectric cooler for thermal management of high-power LEDs, Microelectron. Reliab. 51 (12) (2011) 2210–2215.
[14] Y. Deng, J. Liu, A liquid metal cooling system for the thermal management of high power LEDs, Int. Commun. Heat Mass Transfer 37 (7) (2010) 788–791.
[15] Y. Lai, N. Cordero, F. Barthel, F. Tebbe, J. Kuhn, R. Apfelbeck, D. Würtenberger, Liquid cooling of bright LEDs for automotive applications, Appl. Therm. Eng. 29 (5) (2009) 1239–1244.
[16] X.Y. Lu, T.C. Hua, Y.P. Wang, Thermal analysis of high power LED package with heat pipe heat sink, Microelectron. J. 42 (11) (2011) 1257–1262.
[17] X.Y. Lu, T.C. Hua, M.J. Liu, Y.X. Cheng, Thermal analysis of loop heat pipe used for high-power LED, Thermochim. Acta 493 (1) (2009) 25–29.
[18] J.C. Hsieh, H.J. Huang, S.C. Shen, Experimental study of microrectangular groove structure covered with multi mesh layers on performance of flat plate heat pipe for LED lighting module, Microelectron. Reliab. 52 (6) (2012) 1071– 1079.
[19] L. Kim, J.H. Choi, S.H. Jang, M.W. Shin, Thermal analysis of LED array system with heat pipe, Thermochim. Acta 455 (1) (2007) 21–25.
[20] P. Anithambigai, K. Dinash, D. Mutharasu, S. Shanmugan, C.K. Lim, Thermal analysis of power LED employing dual interface method and water flow as a cooling system, Thermochim. Acta 523 (1) (2011) 237–244.
[21] K.S. Yang, T.Y. Yang, C.W. Tu, C.T. Yeh, M.T. Lee, A novel flat polymer heat pipe with thermal via for cooling electronic devices, Energy Convers. Manage. 100 (2015) 37–44.
[22] S.H. Yu, K.S. Lee, S.J. Yook, Optimum design of a radial heat sink under natural convection, Int. J. Heat Mass Transf. 54 (11–12) (2011) 2499–2505.
[23] T.J. Lu, Thermal management of high power electronics with phase change cooling, Int. J. Heat Mass Transf. 43 (13) (2000) 2245–2256.
[24] X. Luo, W. Xiong, T. Cheng, S. Liu, Temperature estimation of high-power light emitting diode street lamp by a multi-chip analytical solution, IET Optoelectron. 3 (5) (2009) 225–232.
[25] J.C. Wang, Thermal investigations on LED vapor chamber-based plates, Int. Commun. Heat Mass Transfer 38 (9) (2011) 1206–1212.
[26] R. Baby, C. Balaji, Thermal management of electronics using phase change material based pin fin heat sinks, in: 6th European Thermal Sciences Conference (Eurotherm 2012), vol. 395, no. 1, 2012, pp. 012134.
[27] J. Li, F. Lin, D.M. Wang, W.K. Tian, A loop-heat-pipe heat sink with parallel condensers for high-power integrated LED chips, Appl. Therm. Eng. 56 (1-2) (2013) 18–26.
[28] Y.H. Ye, L.H. Saw, Y.X. Shi, A.A.O. Tay, Numerical analyses on optimizing a heat pipe thermal management system for lithium-ion batteries during fast charging, Appl. Therm. Eng. 86 (2015) 281–291.
[29] D. Jang, S.J. Park, S.J. Yook, K.S. Lee, The orientation effect for cylindrical heat sinks with application to LED light bulbs, Int. J. Heat Mass Transf. 71 (2014) 496–502.
[30] H.B. Ma, C. Wilson, B. Borgmeyer, K. Park, Q. Yu, S.U.S. Choi, Murli. Tirumala, Effect of nanofluid on the heat transport capability in an oscillating heat pipe, Appl. Phys. Lett. 88 (14) (2006) 143116.
[31] D. Lee, S.W. Cho, Y.J. Kim, Numerical study on the heat dissipation characteristics of high-power LED module, Sci. China Technol. Sci. 56 (9) (2013) 2150–2155.
[32] X.C. Liu, Y.M. Xiao, K. Inthavong, J.Y. Tu, Experimental and numerical investigation on a new type of heat exchanger in ground source heat pump system, Energ. Effi. 8 (5) (2015) 845–857.
[33] C. Xiao, Q. Tian, C. Zhou, J. Li, W. Zhu, A novel cooling system based on heat pipe with fan for thermal management of high-power LEDs, J. Opt. (2016) 1–8, online.
[34] Y. Nishikawa, N. Sannomiya, T. Ohta, H. Tanaka, A method for auto-tuning of PID control parameters, Automatica 20 (3) (1984) 321–332.
[35] H.M. Qu, X.H. Yang, Q. Zheng, X.T. Wang, Q. Chen, Thermal management technology of high-power light-emitting diodes for automotive headlights, IEICE Electr. Exp. 11 (23) (2014) 1–11.
[36] Y.S. Chen, K.H. Chien, Y.S. Tseng, Y.K. Chan, Determination of optimized rectangular spreader thickness for lower thermal spreading resistance, J. Electron. Packag. 131 (1) (2009) 011004-1–011004-8.

著作権:

この要約は、Chengdi Xiaoらの論文「高出力LED用新規自動化ヒートパイプ冷却装置」に基づいて作成されました。

論文の出典: , http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.10.041

高出力LED用新規自動化ヒートパイプ冷却装置（A novel automated heat-pipe cooling device for high-power LEDs）