1. 개요:
- 제목: 팬과 히트 싱크를 이용한 LED 전조등의 냉각성능 해석 / Cooling Performance of LED Head Lamp with Heat Sink and Cooling Fan
- 저자: 고만석, 이주한, 오상준, 조현석, 서태범 / Manseok Ko, Juhan Lee, Sangjune Oh, Hyenseok Cho and Teabeom Seo
- 발행 연도: 2009년
- 발행 학술지/학회: 대한기계학회논문집 B권
- Keywords: Head Lamp(헤드램프), Free Convection(자연대류), Forced Convection(강제대류), Cooling(냉각), LED(발광소자)
2. 연구 배경:
자동차 조명 시스템에 LED 사용 증가 추세 속에서, 고출력 LED의 발열 문제로 인한 성능 및 수명 저하 문제가 발생한다. 기존 연구는 LED 수명과 성능에 영향을 미치는 요인을 밝히고 히트싱크 형상 변화를 통한 열 전달 특성을 분석하였으나, 고온으로 인한 성능 저하 방지를 위한 냉각 시스템 최적화 방안은 제시하지 못했다.
3. 연구 목적 및 연구 질문:
- 연구 목적: 고출력 LED 램프의 성능 및 수명 저하 방지를 위한 냉각 시스템(자연대류형/능동형)의 최적 설계를 위한 수치해석을 통해 방열판 면적 및 냉각팬 유속 변화에 따른 냉각 성능과의 상관관계를 도출하고, LED Head Lamp 냉각 성능 최적화 방안 제시.
- 핵심 연구 질문: 자연대류 및 강제대류 냉각 시스템에서 방열판 면적과 유속 변화가 LED 접합부 온도에 미치는 영향은 무엇인가?
4. 연구 방법론:
- 연구 설계: 수치해석 (STAR-CCM+ Ver. 3.02 사용)
- 데이터 수집 방법: 상용 헤드램프 모델 기반 수치 해석 (실제 형상의 90% 이상 반영)
- 분석 방법: K-Epsilon 난류 모델 사용, 자연대류 및 강제대류 고려, 부력 및 복사 열전달 고려, 125만 개 격자(Mesh) 사용. Polyhedral Mesh에 Layer (Trimmed mesh) 적용.
- 연구 대상 및 범위: 상용 헤드램프, 방열판 면적(0.0958m², 0.479m², 1.0538m²), 유속(2.20m/s, 3.30m/s, 4.40m/s, 8.80m/s) 변화
5. 주요 연구 결과:
- 핵심 발견사항: 자연대류만으로는 130℃ 목표 온도 달성 불가능 (1.0538m² 면적 필요), 강제대류 시 유속 증가에 따라 냉각 성능 향상 (8.80 m/s 유속에서 111℃까지 온도 감소). 1번 접합부 온도가 가장 낮고, 2~4번 접합부 온도가 높게 유지됨.
- 통계적/정성적 분석 결과: Figure 1, 2, 5, 6, 7, 8 참조. (Figure에 대한 상세 설명은 논문 참조)
- 데이터 해석: 자연대류 냉각 시스템은 효과적이지 않으며, 강제 대류 시스템에서도 유속 증가에 따른 냉각 성능 향상에는 한계가 존재함. 유로 설계 개선 필요성 제기.
6. 결론 및 논의:
- 주요 결과 요약: 자연대류 냉각 시스템은 실용적이지 않으며, 강제대류 시스템은 유속 증가에 따른 한계 존재. 유로 및 냉각 시스템 개선 필요.
- 연구의 학술적 의의: LED 헤드램프 냉각 시스템 설계에 대한 기초 자료 제공.
- 실무적 시사점: LED 헤드램프 냉각 시스템 설계 시 유로 설계 및 팬 위치 개선을 통한 효율적인 냉각 시스템 구축 필요.
- 연구의 한계점: 수치 해석 모델의 신뢰성 강화를 위한 추가 실험 및 수치 해석 반복 수행 필요.
7. 향후 후속 연구:
- 후속 연구 방향: 유로 개선, 팬 위치 변화 등을 통한 히트 싱크 방열 성능 개선 연구, 수치 모델 신뢰성 강화 위한 추가 실험 및 수치해석.
- 추가 탐구가 필요한 영역: 실제 차량 환경 고려한 냉각 시스템 성능 평가.
8. 참고문헌 요약:
(1) Lee, D. G., Roh, D. S., Choi, J. B., Dong, S. G., and Ko, C. B., 2006, "Micro Heat Dissipation Technologys for High Power LED ( )," KIER p. 172.
(2) Aimal, A, Mitch, S. and William. I., 2007, "Towards Developement of Thermal Standards for the Design of LED Lamps," SAE Technical Paper Series NO. 2007-01-1037.
(3) Yu, H., Freyssinier, J. P., Deng, L., Narendran, N. and Gu, Y., 2004, "Solid State Light: Failure Analysis of White LED's," J. Crystal Growth, 268, pp. 449~459.
(4) Kang, H. W., Park, K. S. and Kang, B. D., 2007, "The Effects of the Second heat Source on Heat Sink of LED Head Lamp," KSAE07-S0179 p. 1152.
저작권 및 참고 자료
본 자료는 고만석 외의 논문 "팬과 히트 싱크를 이용한 LED 전조등의 냉각성능 해석"을 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: DOI:10.3795/KSME-B.2009.33.12.947
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