1. 개요:

제목: Cooling of LED headlamp in automotive by heat pipes
저자: Randeep Singh, Masataka Mochizuki, Tadao Yamada, Tien Nguyen
발행 연도: 2020
발행 학술지/학회: Applied Thermal Engineering
Keywords: Passive cooling, Flexible heat pipe, Hinge heat pipe, Piezo fan, Lighting, Automotive thermal management

2. 연구 배경:

연구 주제의 사회적/학문적 맥락: 자동차 헤드램프는 할로겐/제논에서 LED로 변화하고 있으며, LED는 할로겐 램프보다 2배 높은 광효율, 10~15배 더 긴 수명, 더 나은 스타일링 기능을 제공합니다. 할로겐 램프와 달리 LED는 색의 단색성, 광도 및 수명을 유지하기 위해 온도 제어가 필요합니다.
기존 연구의 한계점: 기존의 LED 냉각 솔루션으로 사용되는 알루미늄 다이캐스트 방열판은 열효율이 낮고 구조적으로 무겁고 공간을 많이 차지합니다.
연구의 필요성: 다양한 디자인과 스타일의 LED 헤드램프 및 최대 20W/모듈의 열 성능을 위한 열 파이프 기반 냉각 시스템에 대한 연구가 필요합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적: 다양한 디자인과 스타일의 LED 헤드램프 및 최대 20W/모듈의 열 성능을 위한 열 파이프 기반 냉각 시스템을 제안, 설계 및 특성화하는 것입니다.
핵심 연구 질문: 열 파이프 기반 냉각 시스템이 LED 헤드램프용 다이캐스트 방열판보다 더 효율적이고 가벼운 대안을 제공할 수 있는가?
연구 가설: 열 파이프 기반 냉각 시스템은 LED 헤드램프용 다이캐스트 방열판에 비해 더 높은 열 성능과 더 가벼운 무게를 제공할 수 있습니다.

4. 연구 방법론:

연구 설계: 다양한 LED 헤드램프 디자인 및 스타일에 대한 열 파이프 냉각 시스템의 설계 및 특성화.
데이터 수집 방법: 정상 상태 열 성능 특성화 (작동 온도 및 열 저항), T형 열전대를 사용하여 온도 측정 (정확도 +/- 0.1 °C), 열 시뮬레이터를 사용하여 열 부하 제공 (전류 및 전압 정확도 +/-0.01 A 또는 V).
분석 방법: 열 저항 분석, 다양한 냉각 솔루션 비교.
연구 대상 및 범위: 저/고 빔 냉각용 고성능 원통형/평면형 구리-물 열 파이프, 스위블 기능 냉각 기능이 있는 어댑티브 헤드램프용 힌지 열 파이프, 원격 장착 방열판용 플렉시블 열 파이프 등 다양한 열 파이프 디자인.

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항: 열 파이프 방열판은 다이캐스트 방열판에 비해 40~50% 더 가볍고 2~3배 더 높은 열 성능을 제공합니다. 열 파이프의 장점은 초박형 폼 팩터, 더 높은 설계 자유도 및 설계 허용 오차입니다.
통계적/정성적 분석 결과:
열 파이프 방열판은 25°C 주변 온도에서 LED 패키지 온도를 80°C 이하로 유지했습니다.
힌지 열 파이프 어셈블리의 LED 접합부에서 주변 공기까지의 총 열 저항은 6.89 °C/W였습니다.
피에조 팬 냉각은 소스 온도를 7.6 °C 감소시키고 인클로저 공기 온도를 3.7 °C 증가시켰습니다.
데이터 해석: 열 파이프는 열 발산 능력을 크게 향상시키고 더 나은 공간 활용과 수동 냉각을 가능하게 합니다.
Figure Name List:
- Fig. 1. Heat load output by different lamp types.
- Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/electric systems.
- Fig. 3. LED package for automotive headlamp.
- Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system thermal resistance network (bottom).
- Fig. 5a. Cooling module design for automotive headlamp.
- Fig. 5b. Heat pipe heat sink for cooling high beam LED package inside head-lamp.
- Fig. 6. Heat pipe heat sink for headlamp high beam cooling.
- Fig. 7. Thermal test on LED headlamp with heat pipe based cooling of high beam.
- Fig. 8. Breakdown thermal resistance for different components from LED junction to ambient air.
- Fig. 9. Hinge heat pipe assembly.
- Fig. 10. Hinge heat pipe assembly for cooling LED package with swivel function.
- Fig. 11. Flexible heat pipe.
- Fig. 12. Heat pipe assembly with frame as heat sink.
- Fig. 13. Heat pipe assembly for cooling fog light LED package in headlamp.
- Fig. 14. Heat pipe heat sink for low beam LED package cooling.
- Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.
- Fig. 16. Round type Piezo fan.
- Fig. 17. Velocity profile of round piezo fan.
- Fig. 18. Cooling enhancement for LED headlamp using piezo fan.

Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/
electric systems. — Fig. 2. Heat output versus device length for different automotive electronic/ electric systems.

Fig. 3. LED package for automotive headlamp

Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system
thermal resistance network (bottom). — Fig. 4. Schematic of LED package with thermal module (top), and system thermal resistance network (bottom).

Fig. 5a. Cooling module design for automotive headlamp.

Fig. 5b. Heat pipe heat sink for cooling high beam LED package inside headlamp.

Fig. 13. Heat pipe assembly for cooling fog light LED package in headlamp

Fig. 14. Heat pipe heat sink for low beam LED package cooling

Fig. 15. Axial fan installed inside headlamp for forced convection cooling.

Fig 18. Cooling enhancement for LED headlamp using piezo fan.

Cooling of LED headlamp in automotive by heat pipes

1. 개요:

2. 연구 배경:

3. 연구 목적 및 연구 질문:

4. 연구 방법론:

5. 주요 연구 결과:

6. 결론 및 논의:

8. 참고문헌: