AUTOMOTIVE HEADLAMP HIGH POWER LED COOLING SYSTEM AND ITS EFFECT ON JUNCTION TEMPERATURE AND LIGHT INTENSITY

1. 개요:

  • 제목: AUTOMOTIVE HEADLAMP HIGH POWER LED COOLING SYSTEM AND ITS EFFECT ON JUNCTION TEMPERATURE AND LIGHT INTENSITY
  • 저자: Ramesh Kumar Chidambaram, Rammohan Arunachalam
  • 발행 연도: 2020
  • 발행 학술지/학회: Journal of Thermal Engineering
  • Keywords: HPLED Cooling System, HPLED Junction Temperature, Headlamp Reflector Temperature, Halogen, Light Intensity

2. 연구 배경:

자동차 헤드램프는 야간 주행 안전과 미적 디자인에 중요한 역할을 한다. 기존에는 할로겐 램프와 제논 램프가 주로 사용되었으나, 할로겐 램프는 효율이 낮고 열이 많이 발생하며, 제논 램프는 점등 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 고출력 LED (HPLED)는 에너지 효율이 높고 수명이 길지만, 기존 헤드램프는 HPLED의 열 관리에 적합하지 않아 HPLED를 장착 시 과열로 인한 수명 단축 문제가 발생한다. 따라서 HPLED의 효율적인 열 관리 시스템 개발이 필요하다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 기존 헤드램프 어셈블리에 HPLED를 위한 소형 냉각 시스템을 개발하고, 이를 통해 HPLED 접합부 온도와 광 강도에 미치는 영향을 평가하는 것이다.
  • 핵심 연구 질문: 소형 냉각 시스템이 HPLED의 접합부 온도와 광 강도에 어떤 영향을 미치는가?
  • 연구 가설: 소형 냉각 시스템을 사용하면 HPLED의 접합부 온도가 낮아지고 광 강도가 높아질 것이다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 실험 설계 및 시뮬레이션을 병행하여 연구를 수행하였다. ANSYS 소프트웨어를 이용하여 다양한 크기의 히트싱크를 모델링 및 시뮬레이션하고 최적의 히트싱크 크기를 결정하였다.
  • 데이터 수집 방법: 실험은 인기 SUV 차량의 헤드램프를 사용하여 외부 조명이 없는 검은색 표면에서 약 28미터 거리에서 진행되었다. 광 강도는 럭스(lux) 단위로 측정되었고, 온도는 열전대를 사용하여 측정되었다.
  • 분석 방법: ANSYS를 사용한 시뮬레이션 결과를 토대로 최적의 히트싱크 크기를 선정하고, 실험 결과를 통계적으로 분석하였다. 또한, HPLED의 접합부 온도와 광 강도의 변화를 분석하였다.
  • 연구 대상 및 범위: 인기 SUV 차량의 헤드램프를 사용하여, 할로겐 램프와 16W HPLED를 비교 분석하였다. 냉각 팬의 풍속을 다르게 하여 실험을 수행하였다.

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 발견사항: 제안된 소형 냉각 시스템을 사용하면 HPLED의 접합부 온도가 약 25% 감소하고 광 강도가 약 30.9% 증가한다. HPLED 헤드램프 반사경 내벽 온도는 할로겐 램프에 비해 49% 낮았다. 같은 광 강도를 얻기 위해 HPLED는 할로겐 램프의 1/3 에너지만 소비한다.
  • 통계적/정성적 분석 결과: ANSYS 시뮬레이션을 통해 최적의 히트싱크 크기를 결정하고, 실험 데이터를 통해 접합부 온도 및 광 강도의 변화를 측정하였다. 다양한 풍속에서의 접합부 온도 변화를 분석하였다. Reynolds 수를 기준으로 공기 흐름 영역을 분석하였다.
  • 데이터 해석: 냉각 팬의 풍속이 증가할수록 HPLED 접합부 온도는 감소하고, 광 강도는 증가하는 경향을 보였다. 접합부 온도 1℃ 감소 시 광 강도는 2.7 lux 증가하였다.
  • Figure List and Description: 논문에는 다양한 그림(Figure 1~12)이 포함되어 있으며, 각 그림은 실험 장치, 측정 지점, 온도 분포, 광 강도, 냉각 시스템 성능 등을 보여준다.
Figure 3. Thermocouple mounting positions in the heatsink and headlamp reflector
Figure 3. Thermocouple mounting positions in the heatsink and headlamp reflector

6. 결론 및 논의:

소형 냉각 시스템을 적용한 HPLED 헤드램프는 기존 할로겐 램프에 비해 에너지 효율이 높고, 수명이 길며, 광 강도가 높은 장점을 갖는다. 본 연구 결과는 HPLED 헤드램프 설계 및 열 관리 시스템 개발에 유용한 정보를 제공한다. 본 연구는 실제 차량 환경을 완벽하게 재현하지는 못했으나, 실험 결과는 HPLED의 열 관리에 대한 중요한 시사점을 제공한다.

7. 향후 후속 연구:

본 연구는 실제 차량 환경을 완벽하게 반영하지 못했으므로, 실제 주행 환경에서의 추가적인 실험이 필요하다. 다양한 HPLED 및 냉각 시스템에 대한 연구가 필요하며, 더욱 정교한 열 모델링 및 시뮬레이션 기법을 개발하여 연구의 정확성을 높일 수 있다.

8. 참고문헌 요약:

논문에는 다양한 연구 논문들이 참고문헌으로 인용되어 있으며, 기존 연구 결과와 비교 분석을 통해 본 연구의 결과를 검증하고 있다.

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저작권

본 자료는 Ramesh Kumar Chidambaram과 Rammohan Arunachalam의 논문 "AUTOMOTIVE HEADLAMP HIGH POWER LED COOLING SYSTEM AND ITS EFFECT ON JUNCTION TEMPERATURE AND LIGHT INTENSITY"를 기반으로 작성되었습니다.

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