[논문]승용 전조등 LED 램프의 방열판 자연 냉각특성

유재용; 박설현

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.2.0142

[국내논문] 승용 전조등 LED 램프의 방열판 자연 냉각특성
Natural Cooling Characteristics of a Heat Sink for LED Headlight used in Passenger Cars 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.2, 2017년, pp.142 - 148

유재용 (현대자동차 광주 서비스 센터) , 박설현 (조선대학교 기계시스템 미래자동차 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to investigate the cooling characteristics of a heat sink for an LED headlight used in passenger cars. To this end, this study conducts the experimental and numerical analysis of the heat sink heated at constant heat fluxes without air flow applied. In the experiments, heat was transferred at a constant heat flux through the bottom of a heat sink. The measured temperature on pre-selected locations of the heat sink was in good agreement with the numerically predicted one. The experimental and numerical results indicate that the convective heat transfer coefficient for the natural convection mode was decreased by increasing the heat flux applied to the bottom of heat sink, lowering the cooling capabilities.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LED 전조등 내부의 협소한 공간에 장착되어 있는 히트싱크의 성능을 분석해보기 승용 모델의 전조등 장착되어 있는 히트싱크를 탈거하여 자연대류 상태에서 열전달 특성을 고찰해 보고자 하였다. 특히 히트싱크에 임의의 열유속을 가한 뒤 자연대류상태에서 히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 고찰해 보았다.
본 연구에서는 승용 LED 전조등의 냉각을 위해 적용된 히트싱크의 방열 성능 알아보고자 실험과 수치해석을 수행하였다. 히트싱크 주위에 공기유속이 가해지지 않고 전체 바닥면을 통해 일정한 열유속이 가해진 자연대류 상태에 대해 실험과 수치해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 도출 할 수 있었다.

가설 설정

H : Total enthal ρy [J]

제안 방법

본 논문에서는 LED 전조등 내부의 협소한 공간에 장착되어 있는 히트싱크의 성능을 분석해보기 승용 모델의 전조등 장착되어 있는 히트싱크를 탈거하여 자연대류 상태에서 열전달 특성을 고찰해 보고자 하였다. 특히 히트싱크에 임의의 열유속을 가한 뒤 자연대류상태에서 히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 고찰해 보았다. 히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 파악하기 위해서 열유속이 인가된 히트싱크의 주요 지점에서 온도를 먼저 실험적으로 측정한 뒤, 수치해석 결과와 비교하여 검증하였다.
히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 파악하기 위해서 열유속이 인가된 히트싱크의 주요 지점에서 온도를 먼저 실험적으로 측정한 뒤, 수치해석 결과와 비교하여 검증하였다. 아울러 온도측정결과와 시뮬레이션 결과를 자연대류상태의 대류열전달계수를 계산하여 열전달 특성을 파악해 보았다.

대상 데이터

본 연구에서 실험에 사용된 히트싱크는 알루미늄 재질의 압출 성형품으로 표면은 무광 에노다징 (anodizing) 처리가 되어있다. LED 램프의 작동 시열전도로 인해 히트싱크가 가열되는 현상을 모사하기 위해서 인가전압의 크기조절을 통해 가열 표면의 온도 제어가 가능한 열전 소자 (thermoelectric generator)를 사용하였다.
해석 영역 (domain)의 절점(node) 수는 539,975개, 히트싱크 상의 총 절점(node)는 175,307개이며 해석에 사용된 히트싱크의 알루미늄의 열물성치는 Table. 1에 정리되어 있다.

데이터처리

특히 히트싱크에 임의의 열유속을 가한 뒤 자연대류상태에서 히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 고찰해 보았다. 히트싱크과 주위와의 열전달 특성을 파악하기 위해서 열유속이 인가된 히트싱크의 주요 지점에서 온도를 먼저 실험적으로 측정한 뒤, 수치해석 결과와 비교하여 검증하였다. 아울러 온도측정결과와 시뮬레이션 결과를 자연대류상태의 대류열전달계수를 계산하여 열전달 특성을 파악해 보았다.

이론/모형

수치해석은 상용 열유체 코드인 Fluent를 사용하여 수행하였다. 유체의 열적 특성과 거동을 모사하기 위해 널리 쓰이는 유한체적법을 사용하였으며 대류열전달의 예측을 위해 1차 U ρwind differential scheme이 적용하였다. 직교좌표계의 텐서(cartesian tensor)항으로 나타낸 지배방정식은 다음과 같다.
수치해석은 상용 열유체 코드인 Fluent를 사용하여 수행하였다. 유체의 열적 특성과 거동을 모사하기 위해 널리 쓰이는 유한체적법을 사용하였으며 대류열전달의 예측을 위해 1차 U ρwind differential scheme이 적용하였다.

성능/효과

그림에서 볼 수 있는 바와 같이 인가된 전압의 크기가 증가함에 따라 측정된 표면의 온도도 비례하여 증가함을 관찰할 수있다. 전압을 인가한 초기에는 표면의 온도가 급격히 증가하지만 모든 실험조건 (6V, 9V, 12V)에서 10분이 지나면서 표면의 온도는 각각 약 58℃, 84℃, 101℃ 로 일정하게 유지됨을 확인하였다.
2) 히트싱크의 온도 분포는 휜의 형상(단면적)에 의해서 영향을 받는 것을 확인하였다. 즉 휜의 길이가 짧은 히트싱크의 선단부와 외측면부의 온도분포가 다른 지점에 비해 다소 높은 것을 확인 할 수 있었다.
3) 히트싱크의 바닥면을 통해 인가된 열유속의 크기(열전달율)가 증가할수록 대류열전달계수가 작아져 냉각효율이 떨어짐을 확인하였다.
1) 열전소자를 이용하여 가열된 히트싱크의 온도는 주위에 공기의 유속이 없는 경우 인가된 전압의 크기, 즉 열전달율이 증가할수록 히트 싱크의 평균온도가 높았으며, 최고 온도와 최저 온도의 차이는 약 2℃ 이내로 정상상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전조등의 상향등의 갖추어야 할 조건은 무엇인가?	전조등의 상향등은 전방 100m를 비출 수 있어야 하고 하향은 전방 40m를 비춰야하기에 너무 어두워서도, 밝아서도 안 된다[2] . 따라서 현재에는 카메라 및 센서 등을 이용하여 시인성을 높이고, 자동차의 방향보다는 운전자의 시각에 초점을 맞추어지는 기술을 실현할 수 있는 지능형 전조등(AFLS, Ada ρtive Front Lighting System)이 시장에 각광을 받고 있다[3~5].
	LED램프의 방열문제를 해결해야하는 이유는 무엇인가?	따라서 현재에는 카메라 및 센서 등을 이용하여 시인성을 높이고, 자동차의 방향보다는 운전자의 시각에 초점을 맞추어지는 기술을 실현할 수 있는 지능형 전조등(AFLS, Ada ρtive Front Lighting System)이 시장에 각광을 받고 있다[3~5]. AFLS는 밀폐된 공간 안에서 LED 램프가 발광 시 발생되는 열로부터 각종 센서의 수명과 성능을 유지시켜 주기 위해 LED 램프의 온도상승을 억제하여 한다. 아울러 LED 램프의 온도 상승은 광 출력의 불안정성을 초래하기 때문에 LED의 방열성능을 향상시키기 위한 방안과 그 대책이 필요하다. 방열문제의 해결책으로 현재 전조등의 LED 램프에 적용중인 방열 시스템은 히트싱크[6]이다.
	지능형 전조등의 장점은 무엇인가?	전조등의 상향등은 전방 100m를 비출 수 있어야 하고 하향은 전방 40m를 비춰야하기에 너무 어두워서도, 밝아서도 안 된다[2] . 따라서 현재에는 카메라 및 센서 등을 이용하여 시인성을 높이고, 자동차의 방향보다는 운전자의 시각에 초점을 맞추어지는 기술을 실현할 수 있는 지능형 전조등(AFLS, Ada ρtive Front Lighting System)이 시장에 각광을 받고 있다[3~5]. AFLS는 밀폐된 공간 안에서 LED 램프가 발광 시 발생되는 열로부터 각종 센서의 수명과 성능을 유지시켜 주기 위해 LED 램프의 온도상승을 억제하여 한다.

참고문헌 (10)

Jeong, H. R,. Kim, J. J., Song, Y. H. "Degradation Analysis of Tungsten filament in Automotive Halogen Lamp," KSME Spring & Fall Conferences, 2143-2148 (2010).
Road Traffic Authority Traffic Safety 종합정보지 NO. 422, 31, (2015).
Kang, B. D., Lee, H. S., Kim, J. G., "A Study on the Possibility of Applications of LED Headlamp," KSAE Symposium, 177-183 (2006).
Lee, H. S., Kang, B. D., Kim, H. G., Choi, Y. T., Hwang, J. Y., "A Study on Optimum Swivel Angle of AFLS Headlamps Considering Various Road Curvatures," KSAE Spring & Fall Conferences 1434-1439 (2006).
Kim, D. H. "Study of Optimized Tuning in Full AFLS Head Lamps" Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress, 196, pp. 1719-1731 (2012).
Jung, T. S., Kang, H. K., "Investigation of Natural Convective Heat Flow Characteristics of Heat Sink," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - B, 37.1 27-33 (2013).

원문보기 상세보기
Lee, J.S., Jang, H. S., Park, D. K., Hong, H. L. "Heat Analysis for Heat Sink of LED Lamp Using Cooling System," KSPE Conferences, 669-670 (2012).
Jung, H. H. "A Study on the Numerical Analysis of Heat Sink for Radiant Heat of Automotive LED Head Lamp" Master Thesis, Chosun University (2011).
Incropera, F. P., De Witt, D. P., "Introduction to Heat Transer.," 4th Edition., Wiley, pp. 673-667 (2002).
Lai, Y., Cordero, N. C., Barthel, F., Tebbe F. R., Kuhn, J., Apfelbeck, R. "Liquid cooling of bright LED's for automotive application," Applied Thermal Enginering, (2009).

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