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문제 정의
- 본 논문에서는 자동차 LED 전조등의 방열을 위한 히트싱크의 형상에 따른 방열특성을 알아보고자 수치해석을 수행하였다.
- 그리고 LED 전조등의 방열을 위해 사용되는 히트싱크는 단순히 금형을 통하여 압출하는 방식으로, 압출한 히트싱크의 측면을 절단하여 공기의 유동과 표면적을 넓히는 방법을 적용하고 있다. 이러한 히트싱크는 방열량을 증가에는 한계가 있어 단위 체적당 방열량을 증가시킬 수 있는 새로운 형상의 히트싱크를 연구하고자 하였다.
가설 설정
- 1을 사용하여 수행하였다. 수치해석에 사용된 유체는 공기이며 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식, 부력에 의해 정의되며, 유체유동은 정상유동으로 가정하여 해석을 실시하였다. 그리고 유체의 열적 특성과 거동을 모사하는데 널리 쓰이는 유한체적법을 사용하였다.
제안 방법
- 모델링한 히트싱크는 알루미늄을 소재로 하였으며, 열적특성은 Table 1과 같다. LED 접합부의 방열을 위해 형상에 따라 복사열전달, 냉각팬에 의해 유입되는 유동의 영향을 고려하였다. 냉각팬의 회전속도는 6400rpm의 최대허용 범위에 의해 유입되는 유체온도는 27℃로 설정하였으며, 유입 면적에 대해 균일한 유량 25 cfm의 공기로 설정하였다.
- 3과 같이 해석되었다. 각 Type 별 히트싱크의 냉각팬 최대회전속도 6400rpm, 최대공기유량은 25 cfm으로 설정하여 수치해석을 수행하였다.
- 냉각팬의 회전속도는 6400rpm의 최대허용 범위에 의해 유입되는 유체온도는 27℃로 설정하였으며, 유입 면적에 대해 균일한 유량 25 cfm의 공기로 설정하였다. 그리고 Type별 히트싱크의 방열성능을 비교하기 위하여 heat source 조건을 사용하여 LED package와 히트싱크의 접촉면에 대해 발생되는 열을 160℃로 설정하였다. 또한, 기존제품과 5가지 Type의 복잡한 형상에 대한 정확한 수치해석을 위해 Table 2와 같이 Type별로 격자를 각각 달리하여 해석하였다.
- 그리고 Type별 히트싱크의 방열성능을 비교하기 위하여 heat source 조건을 사용하여 LED package와 히트싱크의 접촉면에 대해 발생되는 열을 160℃로 설정하였다. 또한, 기존제품과 5가지 Type의 복잡한 형상에 대한 정확한 수치해석을 위해 Table 2와 같이 Type별로 격자를 각각 달리하여 해석하였다.
- 본 논문에서 LED를 광원으로 사용하고 있는 자동차 전조등에 적용된 히트싱크(Type 1)를 바탕으로 한정된 내부공간에 적합하도록 총 5가지 Type으로 설계하여 Type 1∼Type 6을 수치해석에 적용하였다.
- 본 논문은 LED 접합부에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있도록 히트싱크를 설계하여 이를 수치해석의 모델링에 적용하였다. 히트싱크 설계는 기존제품 중에서 LED 전조등에 적용된 경우를 바탕으로 휜(fin) 구조와 형상을 변화시켜 CATIA Ver 5.
- 열유속(Heat flux)은 단위시간당 단위면적을 통하여 이동한 열에너지의 양을 말하며, 정확한 표현은 heat flux density이다. 수치해석은 히트싱크에 냉각팬의 공기유량 조건을 25 cfm으로 설정하여 해석하였다. 기존제품과 설계된 히트싱크의 Type 별 열유속은 Fig.
- 이와 같은 해석 결과로부터 열전달율(heat trasfer rate)을 분석하였다. 설계된 히트싱크 Type 2의 열전달율은 844.
- 본 논문은 LED 접합부에서 발생하는 열을 효율적으로 방열시킬 수 있도록 히트싱크를 설계하여 이를 수치해석의 모델링에 적용하였다. 히트싱크 설계는 기존제품 중에서 LED 전조등에 적용된 경우를 바탕으로 휜(fin) 구조와 형상을 변화시켜 CATIA Ver 5.18로 설계였다. 설계된 히트싱크들을 모델링하여 방열성능을 알아보기 위한 수치해석을 ANSYS CFX Ver 12.
- 본 논문에서 LED를 광원으로 사용하고 있는 자동차 전조등에 적용된 히트싱크(Type 1)를 바탕으로 한정된 내부공간에 적합하도록 총 5가지 Type으로 설계하여 Type 1∼Type 6을 수치해석에 적용하였다. 히트싱크 수치해석은 LED package에서 발생하는 열을 기준으로 접합부의 온도 160℃와 냉각팬을 가동하였을 때의 조건으로 설계된 히트싱크의 Type별 온도분포와 공기 유동 및 열유속 등을 해석하였다.
대상 데이터
- 모델링한 히트싱크는 알루미늄을 소재로 하였으며, 열적특성은 Table 1과 같다. LED 접합부의 방열을 위해 형상에 따라 복사열전달, 냉각팬에 의해 유입되는 유동의 영향을 고려하였다.
데이터처리
- 본 논문에서 수치해석은 ANSYS사에서 제공하는 상용 열유동 패키지인 CFX Ver 12.1을 사용하여 수행하였다. 수치해석에 사용된 유체는 공기이며 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식, 부력에 의해 정의되며, 유체유동은 정상유동으로 가정하여 해석을 실시하였다.
- 18로 설계였다. 설계된 히트싱크들을 모델링하여 방열성능을 알아보기 위한 수치해석을 ANSYS CFX Ver 12.1에 의해 수행하였다.
이론/모형
- 수치해석에 사용된 유체는 공기이며 연속 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식, 부력에 의해 정의되며, 유체유동은 정상유동으로 가정하여 해석을 실시하였다. 그리고 유체의 열적 특성과 거동을 모사하는데 널리 쓰이는 유한체적법을 사용하였다.[10]
- 층류 유동의 계산에는 Simple method를 사용하였으며 대류열전달의 예측을 위하여 1차 Upwind differential scheme이 적용되었다. 직교좌표계의 텐서(cartesian tensor)항으로 나타낸 지배방정식은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 기존제품에서 히트싱크의 온도분포에 따른 평균온도는 125℃로서 최대 온도를 나타내었으며, 방열이 잘 이루어지지 않아 휜 상부까지 열이 축척되어 있는 것으로 해석되었다. 설계된 히트싱크의 평균온도는 Type별로 101.
- (2) 기존 heat sink의 공기유동은 중심부 상부의 측면을 통하여 다량의 공기가 통과하는 유동특성을 나타내었으며, 평균유속은 100.603 m/s를 나타내었다. 설계된 Type 2와 Type 6의 경우에는 공기유동이 상부를 통과한 유체가 원활하게 히트싱크의 밑단까지 유동하며 외부로 별다른 저항 없이 유속이 증가하면서 방출되는 유동특성을 나타내었다.
- (3) 기존 heat sink의 열유속은 36910W/㎡로 나타났으며, 방열이 잘 이루어지지 않아 많은 열이 축척되어 있음을 확인 할 수 있었다. 설계된 히트싱크는 Type별로 31750～44430 W/㎡로 해석되었으며, 해석된 결과로부터 열전달율을 분석한 결과 설계된 Type 2가 884.
- 3의 (a)와 같이 공기유동이 히트싱크의 중심부 특히 상부측면을 통하여 다량의공기가 통과하는 유동특성을 나타내었다. 그리고 32～144 m/s의 속도분포를 보였으며 평균유속 100.603 m/s를 나타내었다. Fig.
- 기존 히트싱크인 Type 1의 온도분포에 따른 평균온도는 125.5℃로서 최대 온도를 나타내었으며, Fig. 2의 (a)와 휜 상부까지 열이 축척되어 있는 온도분포를 확인할 수 있었다. 설계된 히트싱크의 온도분포에 따른 평균온도는 Type 별로 101.
- 본 논문을 통하여 방열판의 구조 및 휜 형상에 따른 냉각성능의 상관관계를 도출할 수 있었고, 설계된 히트싱크의 온도분포, 공기의 유동특성, 열유속에 대한 수치해석을 통하여 Type 2가 종합적으로 가장 좋은 해석결과를 확인 할 수 있었다.
- 이와 같은 해석 결과로부터 열전달율(heat trasfer rate)을 분석하였다. 설계된 히트싱크 Type 2의 열전달율은 844.170 W로 가장 높았으며, 상대적으로 열전달 면적이 작았던 Type 5는 586.105 W의 가장 낮은 결과를 나타내었다. 기존제품 히트싱크 Type 1은 685.
- (3) 기존 heat sink의 열유속은 36910W/㎡로 나타났으며, 방열이 잘 이루어지지 않아 많은 열이 축척되어 있음을 확인 할 수 있었다. 설계된 히트싱크는 Type별로 31750～44430 W/㎡로 해석되었으며, 해석된 결과로부터 열전달율을 분석한 결과 설계된 Type 2가 884.170 W로 가장 높은 것으로 분석되었다.
- 2의 (a)와 휜 상부까지 열이 축척되어 있는 온도분포를 확인할 수 있었다. 설계된 히트싱크의 온도분포에 따른 평균온도는 Type 별로 101.9～117.6℃를 나타내었으며, Type 6의 평균온도는 101.9℃로서 최소 온도를 나타내었다. 히트싱크의 평균온도가 비교적 낮은 결과를 나타낸 Type 2와 Type 6의 온도분포는 다른 Type에 비해 휜의 상부로 갈수록 낮은 온도를 나타내었다.
- (1) 기존제품에서 히트싱크의 온도분포에 따른 평균온도는 125℃로서 최대 온도를 나타내었으며, 방열이 잘 이루어지지 않아 휜 상부까지 열이 축척되어 있는 것으로 해석되었다. 설계된 히트싱크의 평균온도는 Type별로 101.9℃～117.6℃를 나타내었으며, 낮은 평균온도를 나타낸 Type 2와 Type 6의 온도분포는 다른 Type에 비해 휜 상부로 갈수록 낮은 온도분포를 나타내었다.
- 설계된 Type 2와 Type 6의 경우에는 공기유동이 상부를 통과한 유체가 원활하게 히트싱크의 밑단까지 유동하며 외부로 별다른 저항 없이 유속이 증가하면서 방출되는 유동특성을 나타내었다. 특히 Type 6은 중앙부를 중심으로 유속이 증가하는 속도분포를 보였으며, 평균유속은 113.983m/s로 최대를 나타내었다.
- 히트싱크를 모델링하기 전, 기존제품의 LED 전조등에 대해 내부가 한정된 공간에서 히트싱크 의한 자연대류 방식과 냉각팬을 설치한 강제대류 방식의 경우에 대한 방열성능을 평가하한 결과, LED 접합부의 온도상승으로 인하여 히트싱크에 의한 자연대류만으로는 냉각이 부족함을 알 수 있었다. 따라서 Fig.
- 9℃로서 최소 온도를 나타내었다. 히트싱크의 평균온도가 비교적 낮은 결과를 나타낸 Type 2와 Type 6의 온도분포는 다른 Type에 비해 휜의 상부로 갈수록 낮은 온도를 나타내었다.
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