†To whom corresponding should be addressed.
Tel : 032-870-2131 E-mail: [email protected]
https://doi.org/10.5855/ENERGY.2019.28.4.035
차량 LED 안개등 개발을 위한 열유동 해석
이석영†
인하공업전문대학 기계과 교수
(2019년 11월 9일 접수, 2019년 12월 8일 수정, 2019년 12월 11일 채택)
Thermal Flow Analysis for Development of LED Fog Lamp for Vehicle
Suk Young Lee
†Department of Mechanical Engineering, Inha Technical College Professor
(Received 9 November 2019, Revised 8 December 2019, Accepted 11 December 2019) 요 약
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 최적 의 설계가 되도록 하였다. 공기의 평균속도는 기존 프로토타입인 Case1에 비해 Case3, Case2의 순으로 증가되 었고 Case3의 증가폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 이는 안개등 상 · 하에 설치된 통풍 구가 온도차이에 따라 생성되는 대류현상을 적절하게 유도하기 때문에 공기의 속도 증가와 함께 열을 효율적으 로 배출시켰기 때문인 것으로 판단하였다.
주요어 : LED, 안개등, 열유동해석, 대류
Abstract - 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.
Key words : Light emitting diode, fog lamp, thermal fluid analysis, convection
Fig. 2. Prototype of vehicle fog lamp Fig. 1. Fog lights attached to the vehicle
Fig. 3. Exploded view of LED fog lamp for vehicle
1. 서 론
기존에 차량뿐 만 아니라 거의 모든 분야에서 사용되었던 할로겐 광원은 입력 전원의 5%정도 만 광원으로 활용되고 나머지 95%는 열량으로 발 산하기 때문에 입력되는 전력이 증가할수록 수명 이 짧아진다는 단점이 있었다.(1) 한편, LED(Light emitting diode)등을 사용하면 할로겐등과 비교하 여 수명이 획기적으로 늘어나고 연료 소모 및 CO2 배출량도 감소한다.(2) 이러한 장점 때문에 자 동차용 광원은 LED로 점차 바뀌고 있다. 또한, LED는 반도체로 구성된 작은 칩을 사용하는 광 원이기 때문에 차량용 LED 안개등으로 제작한다 면 할로겐 안개등보다 70% 가량 사이즈를 축소할 수 있고 광원의 크기가 작기 때문에 LED칩을 분 산 배치하여 광원을 효율성을 높일 수 있다.(3) 이 러한 LED등에 대한 장점으로 인해 다양한 연구 가 진행되어 왔으며 Jung 등(4)은 배광 성능을 개 선한 차량용 LED 전조등 개발에 관한 연구를 수 행하였고, Lee 등(5)은 할로겐 조명 등기구를 LED 조명 등기구로 교체시 에너지 저감에 관한 연구 를 하였다. 이러한 장점에도 불구하고 차량용 LED 안개등을 점등하였을 경우에는 LED에서 발생하 는 고열로 인해 안개등 수명을 단축시키는 단점 이 있다. 안개등 내부에서 LED에 의해 발생된 열 은 주로 히트싱크에 의해 배출되지만 나머지 열 은 구성된 부품으로 열전도가 이루어지거나 내부 공기에 전달된 열은 대류를 통해 외부로 배출된 다. Sim 등은(6) LED에서 발생되는 열은 안개등 내부 공기의 밀도차에 의해 유도되는 대류현상을 수치해석으로 접근하였고, Chang 등(7)은 안개등 재질은 대부분 플라스틱 소재로 금속재에 비해 상대적으로 낮은 열전도도를 지니게 되므로 이러 한 재질 특성상 대류 열전달에 의한 열에너지는 램프 주요부품인 렌즈, 리플렉터, 베젤 등에 열을 발생시킬뿐 만 아니라 LED 광원에서 발생되는 고온에 대한 냉각효율을 감소시켜 LED자체의 수 명을 단축시키기도 한다고 하였다. 또한, Jang 등
(8)은 철도 차량용 LED 전조등 방열효율을 높이기 위한 방열장치를 개선시키기 위해 자연대류, 강제 대류, 히트파이프, 액체냉각 기술 등의 활용 가능 성을 언급하였다. 따라서, 본 연구에서는 히트싱 크에 의한 방열방식 이외에도 냉각효율에 중요한 영향이 미치는 대류에 의한 방열성능을 개선하고 자 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 설 계가 되도록 하였다.
2. 수치해석
2-1. 차량용 LED 안개등 구조
안개등은 Fig. 1과 같이 일반적으로 차량의 전 면부에서 전조등 하부에 부착되며, Fig. 2는 본 연 구에서 해석하게 될 프로토타입으로서 구성부품 은 Fig. 3과 Table 1에서 보여주며, 구성부품 중에 서 PCB에 부착된 LED가 열을 발생하는 부분으 로 열은 주로 히트싱크에 의해 배출되지만 나머 지 부품의 재질이 열전도성이 낮은 폴리에틸렌
Fig. 5. Fluid Region Extraction for Thermal Flow
AnalysisNo Part name
1 Outer Lens
2 Bezel
3 Inner Lens
4 PCB
5 LED
6 Heat Sink
7 O-Ring
8 Housing
9 Braket
Table 1. Component names of car LED fog lamp
(a) Front view
(b) Rear view
Fig. 4. 3D modeling for analysis
계열의 재질이므로 내부 공기로 전달된 열을 대류를 통해 안개등 외부로 배출에 대한 효율성이 요구 되는 것이다.
2-2. 해석 모델링
본 연구에서는 차량용 LED 안개등의 내부에서 LED에 의해 발생되는 열을 안개등에 설치된 통 풍구를 통해 외부로 배출되도록 개념적으로 설계 된 제품에 대하여 통풍구 설치위치를 최적화시켜 냉각효율을 향상시키도록 하는 것이 목적이다. 내 부에서 발생된 열을 통풍구를 통해 효율적으로 빠져나가기 위해서는 우선적으로 고려되어야 하 는 것이 대류 열전달이다. 따라서, 최적화 설계를 위한 모델링을 위해서는 Fig. 4와 같이 실제 차량 에 장착되는 형상을 지닌 3차원 모델링이 되어야 하며, 대류 열전달 해석을 위해서는 안개등 내부 에 공기층이 형성되어 있는 것을 모사하기 위해 Fig. 5와 같이 유체영역을 추출하여 열유동 해석 을 진행하였다.
2-3. 해석 방법
수치해석에 사용된 프로그램은 ANSYS CFX v18.0이고 자체 내장된 디자인모듈러에 의해 3D 모델링 작업을 하였고, 정확한 계산을 위해 Fig. 6 과 같이 격자를 ANSYS 자체에 내장된 격자생성 프로그램에 생성한 결과, 노드수(Nodes)는 251만 개, 엘리먼트수(Elements)는 557만개가 생성되어 정확한 계산이 되도록 하였다.
2-4. 경계조건
해석조건으로 Fig. 7과 같이 안개등 내부공기 출입구 위치와 개수에 따라 기존의 프로토타입인
Fig. 9. Mounting position of temperature sensor for
experimentFig. 8. Experimental equipment Fig. 6. Mesh generation
Case1 Case2 Case3
Fig. 7. Set three parameters for the outside air en-
trance
Positions 1 2 3 Average Temp.(℃) 63.2 33.7 37.9 44.9
Table 2. Experimental result
Case 1을 포함하여 3가지 Case를 설정하여 동일 한 조건으로 해석을 진행하였다. 해석 시간은 연 속모드로 설정하였고 열전달을 포함하여 안개등 내부에서 유속이 분포되도록 하였고, LED에 대하 여 열발생량 1.5×106W/m3을 부여하였다. 안개등 내부의 유동은 비압축성, 난류, 점성유동으로 가 정하였고 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다. 작 동유체는 공기로 가정하였으며 안개등 외부로의 열전달은 따로 고려하지 않았다. 안개등 통풍구로 흡입되는 외부 공기온도는 20℃, 안개등 주위의 공기속도는 차량이 정지한 상태인 0m/s로 가정하 였다.
3. 수치해석 결과 검증
수치해석에 대한 타당성을 검증하기 위하여 온 도측정 실험을 진행하였다. 실험장치는 Fig. 8과 같이 공기조화기 실험장치를 사용하여 안개등 외기
Case1 Case2 Case3
Fig. 11. Distribution of calculated air streamline in
LED fog lamp
Case1 Case2 Case3
Fig. 10. Distribution of calculated air velocity in
LED fog lamp
Case1 Case2 Case3
Fig. 12. Distribution of calculated air temperature
in LED fog lamp 조건을 20℃, 습도 RH40%, 풍속 0m/s의 조건이
되도록 하였고 안개등 내부의 평균온도를 측정하 기 위하여 Fig. 9와 같이 저항식 온도센서를 3개 소로 나누어 10회를 측정한 후 평균값을 구하였 다. 실험에 의해 측정된 값과 이에 대한 전체 평 균값을 Table 2에서 보여주는데 LED부근에서 측 정된 1지점의 온도가 최대이며, 내부렌즈와 하우 징 부근의 온도는 거의 비슷하게 나타났다. 이러 한 3개의 지점을 평균한 내부공기 평균온도가 44.9℃이며 해석에 의해 계산된 값이 43.2℃로서 오차가 1.7℃차이에 따라 수치해석에 대한 검증이 이루어졌다고 판단하였다.
4. 수치해석 결과 분석
4-1. 안개등 내부 공기유동 속도
LED에 의해 발생되는 열은 히트싱크를 통해 빠져나가거나 안개등 구성부품을 통해 전도에 의 하여 방출되거나 내부 공기의 대류현상으로 통풍 구를 통해 빠져나간다. 한편, LED 안개등 구성부 품의 재질은 앞에서도 언급한 바와 같이 주로 폴 리에틸렌 재질로서 열전도율이 매우 작다. 따라 서, 히트싱크 형상이 동일하다면 내부 공기의 대 류에 의해 열이 잘 빠져나가도록 통풍구의 위치 를 최적화시킬 필요가 있다. 내부 공기의 대류현
상은 공기의 유동속도와 연관성이 크기 때문에 공기 유동을 활성화시킬수록 대류를 통해 외부로 의 열방출이 증가한다는 것이다. 이러한 공기의 유동은 공기속도와 유선으로 분석해야한다. Table 3은 수치해석을 수행한 결과값으로서 안개등 내 부 공기에 의해 생성되는 물성치에 대한 각각의 평균값을 보여주고 있다. 공기의 평균속도는 기존 프로토타입인 Case1에 비해 Case3, Case2의 순으 로 증가되는 결과를 보였는데 특히 Case3의 증가 폭이 다른 Case에 비해 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 세부적으로 분석하기 위해 Fig. 10에서 보여주는 내부 공기속도 분포를 보면 Case1, 2에 비해 Case3의 공기 속도분포가 상대적 으로 증가됨을 알 수 있고 Case1과 2는 비슷한 경 향을 보인다. 이는 Fig. 7에서 보는 바와 같이 Case1, 2의 경우 통풍구의 위치가 비슷하며 LED 에서 발생된 열과 이로 인해 생성된 공기의 대류 를 원활하게 해결해주지 못하기 때문이다. 반면에 Case 3의 경우 Fig. 11의 공기의 흐름을 보여주는 유선에서 분석되는 바와 같이 안개등 상 · 하에 설 치된 통풍구가 온도차이에 따라 생성되는 대류현 상을 잘 유도하기 때문에 공기의 속도 증가와 함 께 열을 효율적으로 배출시켜주기 때문인 것으로 분석된다.
4-2. 안개등 내부 온도
Fig. 12는 3가지 Case에 대하여 내부 공기온도 분포를 보여주고 있다. 주로 LED주변의 온도가 상대적으로 증가됨을 알 수 있고 렌즈와 배젤에 의해 형성된 공간에 잔류하는 공기의 온도보다도 하우징 주변영역의 공기의 온도가 비교적 감소하 는 경향을 보이는데 이는 하우징 주변영역에서의 내부 공기순환이 상대적으로 더욱 활성화되기 때 문인 것으로 판단된다. Table 3에서 내부공기 평 균온도는 Case3, 2, 1순으로 감소되는 것을 알 수 있는데 이러한 결과는 공기의 속도와 크게 연관 있는 것으로 공기속도가 증가하면서 통풍구를 통
Items CASE1 CASE2 CASE3 Temperature(℃) 43.2 40.3 32.8
Velocity(mm/s) 2.11 2.32 3.16 T.K.E.(J/ton) 0.078 0.105 0.272
Table 3. Calculated results
Case1 Case2 Case3
Fig. 13. Distribution of calculated air T.K.E. in
LED fog lamp
해 대류열전달을 증가시키기 때문인 것으로 판단 된다. 특히 Case3인 경우 온도차에 의한 대류현상 에 가장 적합한 통풍구의 위치가 지정됨에 따라 냉각효율이 가장 높게 나타났다.
4-3. 안개등 내부 난류강도
난류강도는 유체의 밀도, 유동형태 및 유동속도 와 연관이 있는 것으로 3가지 Case에 대하여 다른 분포를 Fig. 13에서 보여주고 있다. 이러한 난류 강도는 대류열전달을 증가시키는 인자가 되며 Table 3에서 계산된 내부공기의 평균 난류강도는 Case3, 2, 1순으로 증가되는 것을 알 수 있다. 특 히, Case1의 경우 렌즈와 베젤이 형성하는 공기영 역에서 증가되는 모습을 보이며, Case2의 경우는 LED와 렌즈와 베젤이 형성하는 영역에서 증가된 다. 한편, Case3의 경우 Case1, 2와는 다르게 하우 징 주변영역에서 상대적으로 증가되는 것으로 분 석되며 이는 상 · 하에 위치한 통풍구에 의해 유동 이 원활하게 이루어지면서 유동의 속도가 증가되 기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결 론
차량용 LED 안개등에서 발생되는 내부공기의 열을 효율적으로 배출하기 위해 상용 프로그램인 ANSYS v18.0을 사용하여 기존 프로토타입을 포 함한 3가지 통풍구의 위치를 변경하기 위해 모델 링을 실시하였고 열유동해석에 따른 냉각효율의
비교를 통해 최적화 설계가 되도록 하였다.
(1) 차량용 LED 안개등 내부공기의 온도측정 실험을 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 감 소되는 것을 알 수 있는데 이는 공기의 유동속도 와 연관있는 것으로 공기속도가 증가하면서 통풍 구를 통해 대류열전달을 활성화시키기 때문인 것 으로 사료된다.
(4) 난류강도는 Case1, 2의 경우 렌즈와 베젤이 형성하는 공기영역에서 증가되는 모습을 보이는 반면에 Case3는 하우징 주변영역에서 증가되는 데, 이는 상 · 하에 위치한 통풍구에 의해 유동이 원활하게 이루어지면서 유동의 속도가 증가되기 때문인 것으로 판단되었다.
후 기
이 논문은 인하공업전문대학의 지원에 의하여 연구되었음
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