OPTIMAL PLATE-FIN DESIGN FOR IMPROVING HEAT DISSIPATION PERFORMANCE OF AUTOMOBILE LAMP REFLECTORS

1. 개요:

  • 제목: OPTIMAL PLATE-FIN DESIGN FOR IMPROVING HEAT DISSIPATION PERFORMANCE OF AUTOMOBILE LAMP REFLECTORS
  • 저자: Young Shin Kim, Seung Jun Na, Euy Sik Jeon
  • 발행 연도: 2019
  • 발행 학술지/학회: International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET)
  • Keywords: Optimal design, Plate-fin, Heat dissipation, Lamp reflector

2. 연구 배경:

자동차 헤드램프 반사판은 램프에서 발생하는 열과 밀폐된 구조로 인해 높은 온도에 노출됩니다. 이는 램프의 광량 감소와 수명 단축을 초래하며, 주변 부품의 열 충격 변형을 야기할 수 있습니다. 기존 연구는 LED 램프 설계, 방열 성능 특성 분석, 방열 핀 배열 및 형상에 대한 연구를 진행했지만, 반사판의 열 방출 성능 개선을 위한 최적 방열 핀 설계에 대한 연구는 부족했습니다. 따라서 본 연구는 자동차 헤드램프 반사판의 열 방출 성능 향상을 위한 최적 방열 핀 설계를 목표로 합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 자동차 헤드램프 반사판의 열 방출 성능을 향상시키기 위한 최적의 판형 방열 핀 설계를 개발하는 것.
  • 핵심 연구 질문: 어떤 형태의 방열 핀이 헤드램프 반사판의 열 방출 성능을 가장 효과적으로 향상시키는가? 최적의 방열 핀 크기는 무엇인가?
  • 연구 가설: 수직형 판형 방열 핀이 기존 반사판보다 열 방출 성능을 향상시킬 것이며, 크기 최적화를 통해 추가적인 성능 향상이 가능할 것이다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 기존 반사판의 열 유동 해석을 통해 분석 모델의 타당성을 검증하고, 세 가지 유형(수직형, 수평형, 핀형)의 방열 핀을 모델링하여 열 방출 성능을 비교 분석. 최적의 수직형 판형 방열 핀에 대한 크기 최적화는 실험계획법(DOE) 중 Box-Behnken 기법을 이용하여 수행.
  • 데이터 수집 방법: 기존 반사판의 온도 측정을 통해 실험 데이터를 수집하고, ANSYS Fluent 소프트웨어를 이용한 3차원 열 유동 해석을 통해 시뮬레이션 데이터를 얻음. 실험계획법(DOE)에 따라 설계된 여러 방열 핀 모델에 대한 시뮬레이션 수행.
  • 분석 방법: 3차원 열 유동 해석(ANSYS Fluent), 실험 결과와의 비교 분석, 분산분석(ANOVA), 회귀 분석, 반응표면 분석(Response Surface Methodology), 최적화 기법 적용.
  • 연구 대상 및 범위: 자동차 헤드램프 반사판, 세 가지 유형의 방열 핀 (수직형, 수평형, 핀형), Box-Behnken 실험계획법을 이용한 크기 최적화.

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 발견사항: 수직형 판형 방열 핀이 수평형 및 핀형 방열 핀보다 열 방출 성능이 우수함을 확인. Box-Behnken 실험계획법을 이용한 최적화 과정을 통해 기존 반사판 대비 4.5% 향상된 열 방출 성능을 달성. 최적화된 수직형 방열 핀의 크기는 높이 8mm, 두께 0.8mm, 개수 30개로 확인됨.
  • 통계적/정성적 분석 결과: ANOVA 분석 결과, 방열 핀의 두께, 높이, 개수가 열 방출 성능에 유의미한 영향을 미침을 확인. 회귀 분석을 통해 최적의 온도 예측 방정식 도출. 잔차 분석을 통해 모델의 타당성 검증.
  • 데이터 해석: 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 분석 모델의 타당성을 검증. 세 가지 방열 핀 형태의 열 방출 성능을 비교 분석하고, 최적의 방열 핀 형태를 선정. Box-Behnken 설계를 통해 도출된 최적 크기 조건을 적용하여 열 방출 성능 개선 효과를 정량적으로 평가.
  • Figure List:
    • Figure 1: Simulated boundary conditions
    • Figure 2: Schematic diagram of the experimental setup
    • Figure 3: Reflector heat dissipation experiment setup
    • Figure 4: Comparison of experimental and simulation results
    • Figure 5: Reflector models with three types of radiating fins (vertical plate, horizontal plate, and pin fins)
    • Figure 6: Maximum temperature of each reflector model type
    • Figure 7: Rotated diagrams of the vertically installed fins
    • Figure 8: Main effects plot showing the effect of fin height (h), thickness (t), and number (n) on temperature
    • Figure 9: Residual plots for temp. (Normal Probability Plot, Versus Fits, Histogram, Versus Order)
    • Figure 10: Optimization solutions showing the optimal values of h, t, and n
Figure 5 Reflector models
Figure 5 Reflector models

6. 결론 및 논의:

본 연구는 자동차 헤드램프 반사판의 열 방출 성능 향상을 위해 최적의 판형 방열 핀 설계를 제시했습니다. 수직형 판형 방열 핀이 가장 효과적이며, Box-Behnken 실험계획법을 이용한 최적화를 통해 기존 모델 대비 4.5%의 열 방출 성능 향상을 달성했습니다. 이는 자동차 헤드램프의 수명 연장 및 성능 개선에 기여할 수 있습니다. 본 연구는 ANSYS Fluent를 이용한 열유동 해석 및 실험적 검증을 통해 높은 신뢰도를 확보했습니다. 그러나, 실제 자동차 헤드램프 환경의 복잡성을 완전히 반영하지 못한 한계가 존재합니다.

7. 향후 후속 연구:

본 연구는 단일 반사판에 대한 최적화 설계를 중심으로 진행되었습니다. 다양한 형태의 반사판에 대한 최적화 설계 및 실제 주행 환경을 고려한 추가적인 검증 연구가 필요합니다. 또한, 다양한 재료 및 제조 공정을 고려한 방열 핀 설계 연구도 향후 진행될 수 있습니다. 다양한 램프 출력 및 운행 조건을 고려한 추가적인 실험 및 분석이 필요합니다.

8. 참고문헌 요약:

본 논문에서는 자동차 헤드램프의 열 방출 성능 향상에 대한 기존 연구 7편을 참고하였습니다. 각 연구는 LED 램프의 열 변형 해석, 방열 핀 설계, 열전달 특성 분석 등에 관한 내용을 다루고 있습니다.

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저작권

본 자료는 Young Shin Kim, Seung Jun Na, Euy Sik Jeon 저자의 논문: OPTIMAL PLATE-FIN DESIGN FOR IMPROVING HEAT DISSIPATION PERFORMANCE OF AUTOMOBILE LAMP REFLECTORS 를 기반으로 작성되었습니다.
Available online at http://iaeme.com/Home/issue/IJMET?Volume=10&Issue=4
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Tags: ANOVA; ,열유동 해석; ,자동차; ,해석