A Study on Cooling Characteristics of the LED Lamp Heat Sink for Automobile by Forced Convection

1. 개요:

  • 제목: A Study on Cooling Characteristics of the LED Lamp Heat Sink for Automobile by Forced Convection
  • 저자: Ho-Dong Yang, Jae-Young Yoo, Seul-Hyun Park
  • 발행 연도: 2018
  • 발행 학술지/학회: Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
  • Keywords: Forced Convection(강제대류), Cooling Characteristics(냉각특성), Heat Sink(히트싱크), LED Lamp(LED 램프), Computational Analysis(전산해석)

2. 연구 배경:

자동차 헤드램프는 운전자 시야 확보에 중요한 외부 요소이며, LED 램프는 에너지 효율이 높고 수명이 길다는 장점으로 인해 최근 각광받고 있다. 하지만 LED 램프는 발열량이 높아 제품 수명 단축 및 효율 저하를 야기한다.

기존의 수냉식 냉각판이나 히트파이프 방식은 냉각 성능이 우수하지만, 시스템 구축 비용 및 공간 제약으로 인해 활용에 제한이 있다.

따라서 본 연구는 강제대류 방식을 이용한 자동차용 LED 램프 히트싱크의 냉각 성능 향상을 위한 연구가 필요하다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 자동차용 LED 램프 히트싱크의 강제대류에 의한 냉각 특성을 분석하고, 공기 유속 증가에 따른 냉각 효과 개선을 확인하는 것이다.
  • 핵심 연구 질문: 공기 유속 변화에 따라 히트싱크의 온도 분포 및 대류 열전달 계수는 어떻게 변화하는가? 실험 및 전산해석 결과는 어떻게 일치하는가?
  • 연구 가설: 히트싱크 주변 공기 유속 증가에 따라 대류 열전달 계수가 유의미하게 증가하고 냉각 효과가 향상될 것이다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 실험 및 전산해석을 통한 비교 분석
  • 데이터 수집 방법: 실험을 통해 히트싱크의 온도를 측정하고, 전산해석(Fluent 6.0)을 통해 온도 분포 및 대류 열전달 계수를 계산하였다. PWM 방식으로 제어되는 DC 팬을 사용하여 공기 유속을 조절하였다. (2~6 m/s) 열유속은 27W/m²로 일정하게 유지하였다.
  • 분석 방법: 실험 결과와 전산해석 결과를 비교하여 냉각 특성을 분석하고, 이론식을 통해 계산된 대류 열전달 계수와 비교 분석하였다.
  • 연구 대상 및 범위: 자동차 헤드램프에 사용되는 특정 모델의 히트싱크를 대상으로, 공기 유속을 2, 4, 6 m/s로 변화시키면서 실험 및 전산 해석을 수행하였다.

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 발견사항: 공기 유속 증가에 따라 히트싱크의 온도가 유의미하게 감소하고, 대류 열전달 계수가 증가하는 것을 확인하였다. 실험 결과와 전산해석 결과는 일치하는 경향을 보였다. 이론식으로 계산된 대류 열전달 계수 또한 유사한 경향을 나타냈다.
  • 통계적/정성적 분석 결과: 그림 5는 다양한 공기 유속 (2, 4, 6 m/s)에서 시간에 따른 히트싱크 온도 변화를 보여준다. 그림 6은 공기 유속에 따른 히트싱크 온도 분포를 보여주는 전산해석 결과이다. 그림 7은 실험, 전산해석, 이론식을 통해 얻어진 대류 열전달 계수를 비교한 결과이다. 공기 유속이 2m/s에서 6m/s로 증가함에 따라 대류 열전달 계수는 약 50 W/m²K에서 280 W/m²K로 증가하였다.
  • 데이터 해석: 실험 및 전산해석 결과는 공기 유속 증가에 따라 냉각 효과가 향상됨을 보여준다. 히트싱크 하단(가장 높은 온도)과 상단(가장 낮은 온도)의 온도 차이는 공기 유속에 관계없이 약 5℃로 유지되었다.
  • Figure List and Description:
    • 그림 1: 본 연구에 사용된 헤드램프 어셈블리 이미지.
    • 그림 2: 실험 장치 개략도.
    • 그림 3: PWM을 이용한 공기 유속 제어.
    • 그림 4: 전산 해석을 위한 히트싱크 모델링 및 메쉬 생성.
    • 그림 5: 시간에 따른 측정 위치별 히트싱크 온도 변화.
    • 그림 6: 공기 유속에 따른 히트싱크 온도 분포.
    • 그림 7: 공기 유속에 따른 대류 열전달 계수 비교 (실험, 전산해석, 이론식).
Fig. 1 Images of headlight assemblies used in this study
Fig. 1 Images of headlight assemblies used in this study
Fig. 2 Schematics of experimental set-up
Fig. 2 Schematics of experimental set-up
Fig. 6 Computed temperature distributions for the heat sink without and with air flow applied
Fig. 6 Computed temperature distributions for the heat sink without and with air flow applied

6. 결론 및 논의:

본 연구는 강제대류를 이용한 자동차용 LED 램프 히트싱크의 냉각 특성을 실험 및 전산해석을 통해 분석하였다. 공기 유속 증가에 따라 히트싱크 온도가 감소하고 대류 열전달 계수가 증가하여 냉각 효과가 향상되는 것을 확인하였다. 실험, 전산해석, 이론적 계산 결과는 유사한 경향을 나타내어 연구의 신뢰성을 높였다. 본 연구 결과는 LED 램프의 효율적 열 관리 및 제품 수명 향상에 기여할 수 있다. 실무적으로는 히트싱크 설계 및 냉각 팬 성능 최적화에 활용될 수 있다.

7. 연구의 한계점:

본 연구는 특정 모델의 히트싱크를 대상으로 수행되었으며, 다른 형태의 히트싱크나 다양한 작동 조건에 대한 일반화에는 제한이 있다.

8. 향후 후속 연구:

다양한 형태 및 크기의 히트싱크에 대한 연구, 다양한 작동 조건(온도, 습도 등)에 대한 연구, 실제 자동차 환경에서의 냉각 성능 평가, 더욱 정교한 전산해석 모델 개발 등이 필요하다.

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저작권:

본 자료는 Yang, Ho-Dong 등의 논문 "A Study on Cooling Characteristics of the LED Lamp Heat Sink for Automobile by Forced Convection"을 기반으로 작성되었습니다.

논문 출처는 한국기계가공학회지, 제17권, 제6호, pp.117~123(2018.12) 이며,
DOI 정보는 DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.6.117

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Tags: Applications; ,Heat Sink; ,자동차; ,해석