[논문]차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석

이석영

doi:10.5855/energy.2019.28.4.035

차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석
Thermal Flow Analysis for Development of LED Fog Lamp for Vehicle 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.4, 2019년, pp.35 - 41

이석영 (인하공업전문대학 기계과)

초록
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기존에 차량용 안개등으로 사용되었던 할로겐 광원은 전력소모가 증가하고 수명이 짧기 때문에 이러한 단점을 극복하기 위해 자동차 광원은 LED로 점차 바뀌고 있다. 그러나 차량용 LED 안개등을 점등하였을 경우에는 LED에서 발생하는 고열로 인해 안개등 수명을 단축시키는 단점이 있다. 안개등 내부에서 LED에 의해 발생된 열은 주로 히트싱크에 의해 배출되지만, 나머지 열은 거의 대부분 대류를 통해 외부로 배출된다. 이러한 대류에 의한 냉각효율이 저하되면 열에너지는 램프의 주요부품인 렌즈, 리플렉터, 베젤 등에 열을 발생시키거나 LED 광원에 고온을 발생시켜 LED 안개등의 수명을 단축시킨다. 따라서, 본 연구에서는 히트싱크에 의한 방열방식 이외에도 냉각효율에 중요한 영향이 미치는 대류에 의한 방열성능을 개선하고자 하였다. 이를 위해 차량용 LED 안개등 내부공기를 외부로 흡·배출시킬수 있는 통풍구 설치 위치를 결정하기 위한 열유동해석을 수행하여 최적의 설계가 되도록 하였다. 공기의 평균속도는 기존 프로토타입인 Case1에 비해 Case3, Case2의 순으로 증가되었고 Case3의 증가폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 이는 안개등 상·하에 설치된 통풍구가 온도차이에 따라 생성되는 대류현상을 적절하게 유도하기 때문에 공기의 속도 증가와 함께 열을 효율적으로 배출시켰기 때문인 것으로 판단하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to overcome these disadvantages, the halogen light source, which was previously used as a vehicle fog light, has increased power consumption and a short lifetime, and thus, an automobile light source is gradually being replaced with an LED. However, when the vehicle LED fog light is turned on, there is a disadvantage in reducing the life of the fog lamp due to the high heat generated from the LED. The heat generated by the LED inside the fog lamp is mainly emitted by the heatsink, but most of the remaining heat is released to the outside through convection. When cooling efficiency decreases due to convection, thermal energy generates heat to lenses, reflectors, and bezels, which are the main parts of lamps, or generates high temperatures in LED, thereby shortening the life of LED fog lights. In this study, we tried to improve the heat dissipation performance by convection in addition to the heat dissipation method by heat sink, and to determine the installation location of vents that can discharge the internal air or intake the external air of LED fog lamp for vehicle. Thermal fluid analysis was performed to ensure that the optimal data were reflected in the design. The average velocity of air increased in the order of Case3 and Case2 compared to Case1, which is the existing prototype, and the increase rate of Case3 was relatively higher than that of other cases. This is because the vents installed above and below the fog lamps induce the convective phenomena generated according to the temperature difference, and the heat is efficiently discharged with the increase of the air speed.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle
그림 Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp
그림 Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle
그림 Fig. 4. 3D modeling for analysis
그림 Fig. 5. Fluid Region Extraction for Thermal Flow Analysis
표 Table 1. Component names of car LED fog lamp
그림 Fig. 6. Mesh generation
그림 Fig. 7. Set three parameters for the outside air entrance
그림 Fig. 8. Experimental equipment
그림 Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for experiment
표 Table 2. Experimental result
그림 Fig. 10. Distribution of calculated air velocity in LED fog lamp
그림 Fig. 11. Distribution of calculated air streamline in LED fog lamp
그림 Fig. 12. Distribution of calculated air temperature in LED fog lamp
그림 Fig. 13. Distribution of calculated air T.K.E. in LED fog lamp
표 Table 3. Calculated results

AI 본문요약
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문제 정의

또한, Jang 등⁽⁸⁾은 철도 차량용 LED 전조등 방열효율을 높이기 위한 방열장치를 개선시키기 위해 자연대류, 강제대류, 히트파이프, 액체냉각 기술 등의 활용 가능성을 언급하였다. 따라서, 본 연구에서는 히트싱크에 의한 방열방식 이외에도 냉각효율에 중요한 영향이 미치는 대류에 의한 방열성능을 개선하고자 하였다. 이를 위해, 차량용 LED 안개등 내부의 대류 열전달 효율을 높이기 위하여 내부공기를 외부로 흡 · 배출시킬수 있는 통풍구 설치 위치를 결정하기 위한 열유동해석을 수행하여 최적화 설계가 되도록 하였다.
본 연구에서는 차량용 LED 안개등의 내부에서 LED에 의해 발생되는 열을 안개등에 설치된 통풍구를 통해 외부로 배출되도록 개념적으로 설계된 제품에 대하여 통풍구 설치위치를 최적화시켜 냉각효율을 향상시키도록 하는 것이 목적이다. 내부에서 발생된 열을 통풍구를 통해 효율적으로 빠져나가기 위해서는 우선적으로 고려되어야 하는 것이 대류 열전달이다.

가설 설정

안개등 내부의 유동은 비압축성, 난류, 점성유동으로 가정하였고 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다.
작동유체는 공기로 가정하였으며 안개등 외부로의 열전달은 따로 고려하지 않았다. 안개등 통풍구로 흡입되는 외부 공기온도는 20℃, 안개등 주위의 공기속도는 차량이 정지한 상태인 0m/s로 가정하였다.
안개등 내부의 유동은 비압축성, 난류, 점성유동으로 가정하였고 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다. 작동유체는 공기로 가정하였으며 안개등 외부로의 열전달은 따로 고려하지 않았다. 안개등 통풍구로 흡입되는 외부 공기온도는 20℃, 안개등 주위의 공기속도는 차량이 정지한 상태인 0m/s로 가정하였다.

제안 방법

내부에서 발생된 열을 통풍구를 통해 효율적으로 빠져나가기 위해서는 우선적으로 고려되어야 하는 것이 대류 열전달이다. 따라서, 최적화 설계를 위한 모델링을 위해서는 Fig. 4와 같이 실제 차량에 장착되는 형상을 지닌 3차원 모델링이 되어야 하며, 대류 열전달 해석을 위해서는 안개등 내부에 공기층이 형성되어 있는 것을 모사하기 위해 Fig. 5와 같이 유체영역을 추출하여 열유동 해석을 진행하였다.
수치해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 온도측정 실험을 진행하였다. 실험장치는 Fig.
수치해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 온도측정 실험을 진행하였다. 실험장치는 Fig. 8과같이 공기조화기 실험장치를 사용하여 안개등 외기조건을 20℃, 습도 RH40%, 풍속 0m/s의 조건이 되도록 하였고 안개등 내부의 평균온도를 측정하기 위하여 Fig. 9와 같이 저항식 온도센서를 3개소로 나누어 10회를 측정한 후 평균값을 구하였다. 실험에 의해 측정된 값과 이에 대한 전체 평균값을 Table 2에서 보여주는데 LED부근에서 측정된 1지점의 온도가 최대이며, 내부렌즈와 하우징 부근의 온도는 거의 비슷하게 나타났다.
이를 위해, 차량용 LED 안개등 내부의 대류 열전달 효율을 높이기 위하여 내부공기를 외부로 흡 · 배출시킬수 있는 통풍구 설치 위치를 결정하기 위한 열유동해석을 수행하여 최적화 설계가 되도록 하였다.
차량용 LED 안개등에서 발생되는 내부공기의 열을 효율적으로 배출하기 위해 상용 프로그램인ANSYS v18.0을 사용하여 기존 프로토타입을 포함한 3가지 통풍구의 위치를 변경하기 위해 모델링을 실시하였고 열유동해석에 따른 냉각효율의 비교를 통해 최적화 설계가 되도록 하였다.
해석 시간은 연속모드로 설정하였고 열전달을 포함하여 안개등 내부에서 유속이 분포되도록 하였고, LED에 대하여 열발생량 1.5×106W/m3을 부여하였다.
해석조건으로 Fig. 7과 같이 안개등 내부공기 출입구 위치와 개수에 따라 기존의 프로토타입인 Case 1을 포함하여 3가지 Case를 설정하여 동일한 조건으로 해석을 진행하였다. 해석 시간은 연속모드로 설정하였고 열전달을 포함하여 안개등 내부에서 유속이 분포되도록 하였고, LED에 대하여 열발생량 1.

성능/효과

(1) 차량용 LED 안개등 내부공기의 온도측정실험을 실시하여 내부공기 평균온도와 수치해석 값에 대한 오차가 1.7℃이므로 수치해석에 대한 타당성을 검증하였다.
(2) 공기의 평균속도는 기존 프로토타입인 Case1에 비해 Case3, Case2의 순으로 증가되었고 Case3의 증가폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이는 안개등 상 · 하에 설치된 통풍구가 온도차이에 따라 생성되는 대류현상을 적절하게 유도하기 때문에 공기의 속도 증가와 함께 열을 효율적으로 배출시켰기 때문인 것으로 판단하였다.
(3) 내부공기 평균온도는 Case3, 2, 1순으로 감소되는 것을 알 수 있는데 이는 공기의 유동속도와 연관있는 것으로 공기속도가 증가하면서 통풍구를 통해 대류열전달을 활성화시키기 때문인 것으로 사료된다.
(4) 난류강도는 Case1, 2의 경우 렌즈와 베젤이 형성하는 공기영역에서 증가되는 모습을 보이는 반면에 Case3는 하우징 주변영역에서 증가되는데, 이는 상 · 하에 위치한 통풍구에 의해 유동이 원활하게 이루어지면서 유동의 속도가 증가되기때문인 것으로 판단되었다.
Table 3은 수치해석을 수행한 결과값으로서 안개등 내부 공기에 의해 생성되는 물성치에 대한 각각의 평균값을 보여주고 있다. 공기의 평균속도는 기존 프로토타입인 Case1에 비해 Case3, Case2의 순으로 증가되는 결과를 보였는데 특히 Case3의 증가 폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 세부적으로 분석하기 위해 Fig.
수치해석에 사용된 프로그램은 ANSYS CFXv18.0이고 자체 내장된 디자인모듈러에 의해 3D모델링 작업을 하였고, 정확한 계산을 위해 Fig. 6과 같이 격자를 ANSYS 자체에 내장된 격자생성프로그램에 생성한 결과, 노드수(Nodes)는 251만 개, 엘리먼트수(Elements)는 557만개가 생성되어 정확한 계산이 되도록 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량용 LED 안개등을 점등했을 때 수명을 단축시키는 이유	그러나 차량용 LED 안개등을 점등하였을 경우에는 LED에서 발생하는 고열로 인해 안개등 수명을 단축시키는 단점이 있다. 안개등 내부에서 LED에 의해 발생된 열은 주로 히트싱크에 의해 배출되지만, 나머지 열은 거의 대부분 대류를 통해 외부로 배출된다. 이러한 대류에 의한 냉각효율이 저하되면 열에너지는 램프의 주요부품인 렌즈, 리플렉터, 베젤 등에 열을 발생시키거나 LED 광원에 고온을 발생시켜 LED 안개등의 수명을 단축시킨다. 따라서, 본 연구에서는 히트싱크에 의한 방열방식 이외에도 냉각효율에 중요한 영향이 미치는 대류에 의한 방열성능을 개선하고자 하였다.
	할로겐 광원의 단점	기존에 차량용 안개등으로 사용되었던 할로겐 광원은 전력소모가 증가하고 수명이 짧기 때문에 이러한 단점을 극복하기 위해 자동차 광원은 LED로 점차 바뀌고 있다. 그러나 차량용 LED 안개등을 점등하였을 경우에는 LED에서 발생하는 고열로 인해 안개등 수명을 단축시키는 단점이 있다.
	LED(Light emitting diode)등을 할로겐등과 비교했을 때 장점	기존에 차량뿐 만 아니라 거의 모든 분야에서 사용되었던 할로겐 광원은 입력 전원의 5%정도만 광원으로 활용되고 나머지 95%는 열량으로 발산하기 때문에 입력되는 전력이 증가할수록 수명이 짧아진다는 단점이 있었다. (1) 한편, LED(Light emitting diode)등을 사용하면 할로겐등과 비교하여 수명이 획기적으로 늘어나고 연료 소모 및 CO2 배출량도 감소한다. (2) 이러한 장점 때문에 자동차용 광원은 LED로 점차 바뀌고 있다.

참고문헌 (8)

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Kang, B. D., et al., 2009, Evaluation of fuel consumption between LED headlamp and halogen headlamp, KSAE09-A0294 pp. 1709-1714
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Lee, J. W., et al., 2014, A Study to Compared on Maintenance and Electricity Energy Saving, to be Replaced by Halogen Lighting Fixtures and LED Lighting Fixture, in Workship Concert, Journal of Communications and Networks, pp. 63-64
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Jang, J. Y., et al., 2016, Thermal Analysis for the Development of the Railway Vehicle LED Headlamp Heat Sink, The Conference of Korean Society For Railway, pp. 944-947

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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