차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석 연구

1. Overview:

Title: 차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석 (Korean) / Thermal Flow Analysis for Development of LED Fog Lamp for Vehicle (English)
Author: 이석영 (Suk Young Lee)
Publication Year: 2019
Publishing Journal/Academic Society: 에너지공학 (Journal of Energy Engineering), Vol. 28, No. 4, pp.35-41(2019)
Keywords: LED, 안개등, 열유동해석, 대류 (Korean) / Light emitting diode, fog lamp, thermal fluid analysis, convection (English)

2. Research Background:

Social/Academic Context of the Research Topic:
- 기존 차량용 안개등으로 널리 사용되었던 할로겐 광원은 높은 전력 소모와 짧은 수명이라는 단점을 가지고 있었습니다.
- 이러한 단점을 극복하기 위해 자동차 광원 기술은 점차 LED(Light Emitting Diode)로 대체되는 추세입니다.
- LED 광원은 할로겐 광원에 비해 수명이 획기적으로 길고, 연료 소모 및 CO2 배출량 감소에도 효과적입니다.
- 또한, LED는 작은 칩 형태로 구성되어 있어 차량용 LED 안개등 설계 시 소형화 및 광원 배치의 유연성을 높일 수 있습니다.
Limitations of Existing Research:
- 차량용 LED 안개등은 작동 시 LED에서 발생하는 고열로 인해 수명이 단축될 수 있다는 문제점을 안고 있습니다.
- 안개등 내부에서 발생하는 열은 주로 히트싱크를 통해 배출되지만, 잔열은 대류를 통해 외부로 방출됩니다.
- 기존 연구는 주로 히트싱크를 이용한 방열 방식에 초점을 맞추고 있으며, 대류에 의한 냉각 효율 개선에 대한 연구는 미흡한 실정입니다.
- 대류에 의한 냉각 효율이 저하될 경우, 램프 주요 부품(렌즈, 리플렉터, 베젤 등)의 열 축적 및 LED 광원의 고온 노출로 인해 안개등 수명이 단축될 수 있습니다.
Necessity of the Research:
- LED 안개등의 수명 연장 및 성능 향상을 위해서는 대류를 통한 효율적인 열 방출 메커니즘 개발이 필수적입니다.
- 특히, 안개등 내부 공기의 흐름을 최적화하여 대류 열전달 성능을 극대화하는 설계 기술이 요구됩니다.
- 본 연구는 히트싱크 외에 대류에 의한 방열 성능 개선에 초점을 맞추어 차량용 LED 안개등의 냉각 효율을 향상시키고자 합니다.
- 이를 위해 안개등 내부 공기를 외부로 효과적으로 배출하고 외부 공기를 유입할 수 있는 통풍구의 최적 위치를 설계하는 것이 연구의 핵심 목표입니다.

3. Research Purpose and Research Questions:

Research Purpose:
- 본 연구의 주된 목적은 차량용 LED 안개등의 열 방출 성능을 향상시키는 것입니다.
- 특히, 히트싱크를 통한 방열 방식 외에 대류 현상을 활용하여 냉각 효율을 극대화하고자 합니다.
- 이를 위해 LED 안개등 내부 공기의 유동을 제어하고, 최적의 통풍구 위치를 설계하여 열이 효율적으로 외부로 배출될 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.
- 궁극적으로, LED 안개등의 수명을 연장하고 제품의 신뢰성을 향상시키는 데 기여하고자 합니다.
Key Research Questions:
- 차량용 LED 안개등의 효율적인 열 방출을 위한 최적의 통풍구 설치 위치는 어디인가?
- 통풍구 위치 변화에 따라 안개등 내부 공기의 유동 특성 및 속도는 어떻게 변화하는가?
- 통풍구 위치 변화가 안개등 내부 온도 분포 및 평균 온도에 미치는 영향은 무엇인가?
- 대류 열전달 성능 향상을 위한 통풍구 설계가 LED 안개등의 냉각 효율에 실질적으로 기여하는가?
Research Hypotheses:
- 안개등 상·하에 통풍구를 설치하는 Case3 모델은 온도차에 의해 생성되는 자연 대류 현상을 효과적으로 유도하여 공기 유동 속도를 증가시키고, 열을 효율적으로 배출함으로써 기존 모델(Case1) 대비 우수한 냉각 성능을 나타낼 것이다.
- 특정 통풍구 위치는 안개등 내부 공기의 난류 강도를 증가시켜 대류 열전달을 더욱 활성화하고, 이는 안개등 내부 온도 감소에 기여할 것이다.
- 수치 해석 결과와 실험 결과를 비교 검증함으로써, 제안하는 통풍구 설계의 타당성을 입증할 수 있을 것이다.

4. Research Methodology

Research Design:
- 본 연구는 차량용 LED 안개등의 열 관리 성능 향상을 위해 수치 해석(Computational Fluid Dynamics, CFD)과 실험적 검증을 병행하는 연구 설계를 채택하였습니다.
- 먼저, ANSYS CFX v18.0 상용 소프트웨어를 사용하여 LED 안개등의 열유동 해석을 수행하고, 다양한 통풍구 위치에 따른 냉각 성능 변화를 예측하였습니다.
- 이후, 수치 해석 결과를 검증하기 위해 실제 LED 안개등 프로토타입을 제작하고, 온도 측정 실험을 통해 내부 온도 변화를 측정하여 수치 해석 결과와 비교 분석하였습니다.
Data Collection Method:
- 수치 해석 (CFD Simulation):
  - ANSYS CFX v18.0 프로그램을 사용하여 3차원 열유동 해석을 수행하였습니다.
  - 기존 프로토타입(Case1)과 통풍구 위치를 변경한 Case2, Case3 모델을 설계하여 해석 Case를 구성하였습니다.
  - 각 Case별로 안개등 내부 공기의 속도, 온도, 난류 강도 분포 등을 수치적으로 계산하였습니다.
- 실험적 검증 (Temperature Measurement):
  - 공기조화기 실험 장치를 이용하여 실험 환경을 조성하였습니다 (온도 20℃, 습도 RH40%, 풍속 0m/s).
  - 저항식 온도 센서를 안개등 내부 3 지점에 설치하고, 10회 측정을 통해 평균 온도를 측정하였습니다.
  - 실험 측정값과 수치 해석 결과를 비교하여 해석의 타당성을 검증하였습니다.
Analysis Method:
- 격자 생성 (Mesh Generation): ANSYS 내장 격자 생성 프로그램을 사용하여 해석 모델에 대한 격자를 생성하였습니다. 노드 수(Nodes)는 251만 개, 엘리먼트 수(Elements)는 557만 개로 구성된 격자를 사용하여 계산의 정확도를 확보하였습니다.
- 경계 조건 (Boundary Conditions):
  - 해석 조건은 Fig. 7과 같이 안개등 내부 공기 출입구 위치 및 개수에 따라 기존 프로토타입인 Case1, Case2, Case3으로 설정하였습니다.
  - LED의 열 발생량은 1.5×10^4 W/m³으로 설정하였습니다.
  - 안개등 내부 유동은 비압축성, 난류, 점성 유동으로 가정하고, 난류 모델은 k-ε 모델을 사용하였습니다.
  - 작동 유체는 공기로 가정하였으며, 외부 공기 온도는 20℃, 공기 속도는 0m/s (차량 정지 상태)로 설정하였습니다.
- 데이터 분석: 수치 해석 결과로부터 각 Case별 안개등 내부의 공기 속도 분포 (Fig. 10), 공기 유선 (Fig. 11), 공기 온도 분포 (Fig. 12), 난류 강도 분포 (Fig. 13) 등을 분석하고, 평균 공기 속도, 평균 온도, 평균 난류 강도 (Table 3) 등의 정량적인 지표를 비교 분석하여 통풍구 위치 변화에 따른 냉각 성능 변화를 평가하였습니다. 실험 측정값과 수치 해석 결과를 비교하여 해석의 정확성을 검증하였습니다 (Table 2).
Research Subjects and Scope:
- 본 연구의 연구 대상은 차량용 LED 안개등입니다.
- 연구 범위는 LED 안개등 내부의 열 유동 현상 분석 및 통풍구 위치 변화에 따른 냉각 성능 평가에 한정됩니다.
- 다양한 통풍구 형상 및 크기 변화에 대한 연구는 본 연구의 범위에서 제외되었습니다.
- 또한, LED 안개등 외부의 강제 대류 조건 변화에 따른 냉각 성능 변화 연구 또한 본 연구의 범위에 포함되지 않았습니다.

5. Main Research Results:

Key Research Results:
- 공기 유동 속도: Case3 (안개등 상·하 통풍구 설치) 모델이 Case1 (기존 프로토타입), Case2 (안개등 측면 통풍구 설치) 모델에 비해 가장 높은 평균 공기 유동 속도를 나타냈습니다. 특히, Case3의 공기 속도 증가폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 컸습니다.
- 내부 공기 온도: Case3 모델이 Case2, Case1 모델 순으로 낮은 평균 내부 공기 온도를 나타냈습니다. Case3 모델의 평균 온도가 가장 낮았습니다.
- 난류 강도: Case3 모델이 Case2, Case1 모델 순으로 높은 평균 난류 강도를 나타냈습니다. Case3 모델의 난류 강도가 가장 높았습니다.
- 실험 검증: 실험 측정값과 수치 해석 결과의 내부 공기 평균 온도 오차가 1.7℃로 나타나 수치 해석의 타당성을 검증하였습니다.
Statistical/Qualitative Analysis Results:
- Table 2. Experimental result: Positions 1 2 3 Average Temp.(°C) 63.2 33.7 37.9 44.9
  - 실험 결과, LED 부근(Position 1)의 온도가 가장 높고, 내부 렌즈 및 하우징 부근(Position 2, 3)의 온도는 상대적으로 낮게 나타났습니다. 3개 지점 평균 온도는 44.9℃입니다.
- 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
  - 수치 해석 결과, Case3 모델이 가장 낮은 평균 온도(32.8℃)와 가장 높은 평균 속도(3.16 mm/s) 및 난류 강도(0.272 J/ton)를 나타냈습니다.
- Figure Name List:
  - Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle
  - Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp
  - Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle
  - Fig. 4. 3D modeling for analysis
  - Fig. 5. Fluid Region Extraction for Thermal Flow Analysis
  - Fig. 6. Mesh generation
  - Fig. 7. Set three parameters for the outside air entrance
  - Fig. 8. Experimental equipment
  - Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment
  - Fig. 10. Distribution of calculated air velocity in LED fog lamp
  - Fig. 11. Distribution of calculated air streamline in LED fog lamp
  - Fig. 12. Distribution of calculated air temperature in LED fog lamp
  - Fig. 13. Distribution of calculated air T.K.E. in LED fog lamp

Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle

Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle

Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment

Data Interpretation:
- Case3 모델 (안개등 상·하 통풍구 설치)의 우수한 냉각 성능은 다음과 같이 해석할 수 있습니다.
  - 안개등 상·하에 설치된 통풍구는 안개등 내부의 온도 차이에 의해 발생하는 자연 대류 현상을 효과적으로 유도합니다.
  - 하부 통풍구를 통해 외부의 차가운 공기가 유입되고, 상부 통풍구를 통해 내부의 뜨거운 공기가 배출되는 대류 흐름이 형성됩니다.
  - 이러한 대류 흐름은 안개등 내부 공기의 유동 속도를 증가시키고, LED에서 발생한 열을 효율적으로 외부로 배출하는 역할을 합니다.
  - 반면, Case1, Case2 모델은 통풍구 위치가 대류 흐름 형성에 불리하여 Case3 대비 냉각 성능이 낮은 것으로 판단됩니다.
- 특히, Case3 모델의 높은 난류 강도는 대류 열전달을 더욱 활성화시켜 냉각 성능 향상에 기여한 것으로 분석됩니다.

6. Conclusion and Discussion:

Summary of Main Results:
- 본 연구에서는 차량용 LED 안개등의 열 방출 성능 향상을 위해 통풍구 위치 변화에 따른 열유동 해석을 수행하고, 최적의 통풍구 위치를 설계하고자 하였습니다.
- 수치 해석 결과, 안개등 상·하에 통풍구를 설치한 Case3 모델이 기존 프로토타입(Case1) 대비 가장 우수한 냉각 성능을 나타내는 것을 확인하였습니다.
- Case3 모델은 높은 공기 유동 속도, 낮은 내부 온도, 높은 난류 강도를 보였으며, 이는 상·하 통풍구가 자연 대류를 효과적으로 유도하여 열을 효율적으로 배출하기 때문인 것으로 판단됩니다.
- 실험 측정값과 수치 해석 결과 비교를 통해 수치 해석의 타당성을 검증하였습니다.
Academic Significance of the Research:
- 본 연구는 차량용 LED 안개등의 냉각 성능 향상을 위한 통풍구 위치 설계의 중요성을 CFD 해석을 통해 실증적으로 제시하였습니다.
- 특히, 안개등 상·하 통풍구 배치가 자연 대류를 효과적으로 유도하여 냉각 성능을 극대화할 수 있음을 밝혀냈습니다.
- 본 연구 결과는 LED 조명 시스템의 열 관리 설계 분야에 학술적 기여를 할 수 있을 것으로 기대됩니다.
Practical Implications:
- 본 연구 결과는 차량용 LED 안개등 설계 시 통풍구 위치 선정에 대한 실질적인 가이드라인을 제시합니다.
- 안개등 상·하 통풍구 설계를 통해 LED 안개등의 냉각 성능을 향상시키고, 제품 수명 연장 및 신뢰성 향상에 기여할 수 있습니다.
- 이는 자동차 산업 분야에서 고성능 LED 안개등 개발 및 보급에 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다.
Limitations of the Research:
- 본 연구는 특정 LED 안개등 모델 및 통풍구 형상에 대한 연구 결과이며, 다양한 LED 안개등 디자인 및 통풍구 형상에 대한 일반화에는 한계가 있을 수 있습니다.
- 해석 조건은 차량 정지 상태(공기 속도 0m/s)로 가정하였으며, 실제 차량 주행 조건에서의 냉각 성능 변화는 고려하지 않았습니다.
- 난류 모델로 k-ε 모델만을 사용하였으며, 다른 난류 모델 적용에 따른 결과 변화는 분석하지 않았습니다.

7. Future Follow-up Research:

Directions for Follow-up Research:
- 다양한 통풍구 형상 (크기, 모양, 개수 등) 변화에 따른 LED 안개등 냉각 성능 연구
- 차량 주행 속도 변화 및 외부 바람 조건 변화를 고려한 LED 안개등 열 관리 성능 연구
- 다양한 난류 모델 (예: k-ω, SST k-ω 등) 적용 및 결과 비교 분석
- 히트파이프, 액체 냉각 등 다른 냉각 기술과 대류 냉각 방식의 복합 냉각 시스템 연구
- LED 안개등 재질 변화 (열전도율이 높은 재질 적용)에 따른 냉각 성능 변화 연구
Areas Requiring Further Exploration:
- 최적 설계된 LED 안개등의 실제 차량 장착 후 성능 평가 및 내구성 시험
- LED 안개등의 발광 효율 및 소비 전력 변화에 대한 연구
- LED 안개등의 광학적 성능 (배광 특성, 광량 등) 변화에 대한 연구
- 다양한 환경 조건 (고온, 저온, 습도 등) 에서의 LED 안개등 성능 평가

8. References:

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
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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. Copyright:

This material is 이석영 (Suk Young Lee)'s paper: Based on 차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석 (Thermal Flow Analysis for Development of LED Fog Lamp for Vehicle).
Paper Source: https://doi.org/10.5855/ENERGY.2019.28.4.035

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