KR100778106B1 - 자동차 ｌｅｄ 전조등용 방열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 LED 전조등용 방열 장치에 관한 것으로 발광 다이오드 패키지와 결합하는 케이스를 포함하고, 상기 발광 다이오드로부터 발생한 열을 확산시키는 박판형 제 1차 열 교환기를 포함하며, 상기 박판형 제 1차 열 교환기의 배면에 위치하고, 상기 케이스 내의 습기를 차폐하는 하우징을 포함한다. 그리고, 상기 하우징을 거쳐 전달된 열을 공기로 방출하기 위한 박판형 제 2차 열 교환기를 포함하고, 상기 박판형 제 2차 열 교환기 배면에 위치하고, 엔진으로부터 발생한 열을 방출하는 냉각층을 포함한다. 또한, 상기 냉각층의 배면에 위치하고, 상기 엔진으로부터 발생한 열을 냉각시키는 박판형 제 3차 열 교환기를 포함하고, 상기 박판형 제 3차 열 교환기 배면에 위치하여 상기 엔진으로부터 발생한 열을 최대한 지연시키는 열 차폐층을 포함한다. 본 발명에서는 정지 및 저속 주행시는 방수팬을 가동하여 좌우 통풍구에서 공기를 유입 및 배출함으로써 발광 다이오드의 열을 방출하고, 고속 주행시 상하 통풍구를 통하여 공기를 유입 및 배출함으로써 엔진으로 발생된 열을 차단하는 동시에 전조등의 발광다이오드의 열을 신속히 방출한다.

발광 다이오드, 냉각층, 열 차폐층

Description

자동차 ＬＥＤ 전조등용 방열 장치{Device System for Protection against Heat in Automotive LED Head-Lamp}

도 1a 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차 전조등의 사시도.

도 1b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차 전조등의 측면도.

도 2a 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정지시 냉각층의 공기 유입 및 배출관에 대한 상면도.

도 2b 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 운행시 냉각층의 공기 유입 및 배출관에 대한 상면도.

도 3 은 종래 기술에 따른 정지시 시물레이션 결과.

도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정지시 시물레이션 결과.

도 5 는 종래 기술에 따른 운행시 시물레이션 결과.

도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시물레이션 결과.

도 7 은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 온도 분포 비교 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 발광 다이오드 패키지 102 : 전조등 케이스

103 : 박판형 1차 열 교환기 104 : 하우징

105 : 박판형 2차 열 교환기 106 : 냉각층

107 : 박판형 3차 열 교환기 108 : 열 차폐층

109, 203 : 상부 공기 배출관

110, 202 : 좌우 공기 유입 및 배출관

201 : 방수팬 204 : 하부 공기 유입관

본 발명은 정지 및 저속 주행시는 방수팬을 가동하여 좌우 통풍구에서 공기를 유입 및 배출함으로써 발광 다이오드의 열을 방출하고, 고속 주행시 상하 통풍구를 통하여 공기를 유입 및 배출함으로써 엔진으로 발생된 열을 차단하는 동시에 전조등의 발광다이오드의 열을 신속히 방출하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치에 관한 것이다.

기존의 자동차 전조등에 적용되는 전구는 EU 유해물질 규제 협약에 2006년부터 수은 등 6종의 해로운 물질 사용규제가 될 것으로 예상되며, 이에 따른 100lm/W로 LED 성능 향상시 자동차 전조등에 적용은 가능할 것이다.

이에 따라 LED는 고휘도, 고수명, 고신뢰성이 요구되고 있으며, 성능 및 특성은 색, 온도 및 휘도, 휘도 세기의 범위 등으로 결정된다.

1차적으로 광 추출 효율을 향상 위해 발광 다이오드 소자의 활성층과 전자 주입(N)층 및 전공 주입(P)의 결정 성장 정도를 높이는 방법이다.

그리고, 2차적으로는 열 방출의 원활한 구조와 제어 가능한 배선 구조 및 소자와 배선 기판을 연결하기 위한 본딩 방식에 의하여 그 성능이 결정된다.

고출력 LED는 고온 동작시 LED로부터 발생하는 열을 방출시키는 패키지의 구조와 재질특성으로부터 열 저항으로 인하여 활성층(Active Layer)의 접합 온도 상승과 순방향 전압 및 광 출력이 감소하면, 이를 해결하기 위하여 열전도성이 좋은 재질 위에 다수개의 단 품 패키지를 배선 기판에 실장 하거나 다수개의 칩을 배선 기판 또는 금속 기판 위에 패키징한다.

그러나 장시간 가동으로 인하여 발생한 열을 신속히 방출시키지 않으면, 열 저항이 큰 접합부에 피로가 누적됨으로써 구조 변형(Creep)으로 인한 접합 계면의 파손(Crack) 및 떨어짐(De-lamination) 등의 신뢰성 불량 발생하며 이는 전체 시스템의 불량을 초래하는 문제점이 있다.

또한 발광 다이오드 패키징 구조 및 재질은 흡습으로 인한 신뢰성 불량과 먼지로 인한 광량 및 신뢰성 불량이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 기술의 불편함을 해결하기 위하여 LED의 패키징 구조상 발생하는 열적 피로와 구조적 신뢰성 불량의 원인인 열적 피로를 최소화하고, 엔진으로부터 전달되는 고온의 열로 인하여 LED를 적용한 전조등 시스템의 성능 저하 불량을 막기 위한 자동차 LED 전조등용 방열 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 자동차 LED 전조등용 방열 장치에 있어서, 정지 및 저속 주행시는 방수팬을 가동하여 좌우 통풍구에서 공기를 유입 및 배출함으로써 발광 다이오드의 열을 방출하고, 고속 주행시 상하 통풍구를 통하여 공기를 유입 및 배출함으로써 엔진으로 발생된 열을 차단하는 동시에 전조등의 발광다이오드의 열을 신속히 방출한다.

본 발명에서 발광 다이오드 패키지와 결합하는 케이스를 포함하고, 상기 발광 다이오드로부터 발생한 열을 확산시키는 박판형 제 1차 열 교환기를 포함하며, 상기 박판형 제 1차 열 교환기의 배면에 위치하고, 상기 케이스 내의 습기를 차폐하는 하우징을 포함한다. 그리고, 상기 하우징을 거쳐 전달된 열을 공기로 방출하기 위한 박판형 제 2차 열 교환기를 포함하고, 상기 박판형 제 2차 열 교환기 배면에 위치하고, 엔진으로부터 발생한 열을 방출하는 냉각층을 포함한다. 또한, 상기 냉각층의 배면에 위치하고, 상기 엔진으로부터 발생한 열을 냉각시키는 박판형 제 3차 열 교환기를 포함하고, 상기 박판형 제 3차 열 교환기 배면에 위치하여 상기 엔진으로부터 발생한 열을 최대한 지연시키는 열 차폐층을 포함하는 것이 바람직하 다.

본 발명에서, 상기 박판형 제 1차 열 교환기는 상기 발광 다이오드 패키지의 배면에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 냉각층은 통풍구를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 통풍구는 상부 공기 배출관, 하부 공기 유입관, 좌우 공기 유입 및 배출관을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 통풍구는 고속 주행시 상기 상부 공기 배출관에서 공기를 배출하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 유입관은 공기를 강제 대류하는 방수팬을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 방수팬은 정지, 저속 주행시 상기 좌우 공기 유입관에서 공기를 유입하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 1a 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차 전조등의 사시도이고, 도 1b 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차 전조등의 측면도이다.

도 1a, 도 1b 를 참조하면, 발광 다이오드 패키지(101), 전조등 케이스(102), 박판형 1차 열 교환기(103), 하우징(104), 박판형 2차 열 교환기(105), 냉각층(106), 박판형 3차 열 교환기(107), 열 차폐층(108), 상부 공기 배출관(109), 좌우 공기 유입 및 배출관(110)을 포함한다.

상기 발광 다이오드 패키지(101)는 다수의 LED로부터 발생하는 열을 방출시키는 역할을 한다.

그리고, 상기 발광 다이오드 패키지(101)의 구조와 재질의 특성에 의하여 결정된 열 저항으로 인하여 활성층의 접합 온도 상승과 순방향 전압 및 광출력이 감소한다.

그렇기 때문에 열 전도성이 좋은 재질 위에 다수개의 상기 발광 다이오드 패키지(101)를 배선 기판에 실장한다.

상기 전조등 케이스(102)는 상기 발광 다이오드 패키지(101)를 조립하며 열 전도도가 높은 금속을 사용한다. 또한, 가볍고 가공성이 뛰어난 재질로 이뤄진다.

상기 박판형 1차 열 교환기(103)는 열 전도성이 높으면서 열 포함 능력이 월등하므로 상기 다이오드 패키지(101)에서 발생한 열을 신속하게 확산 및 전달한다.

또한, 전조등 시스템의 부피를 최소화할 수 있도록 박판형으로서 마이크로 채널이 형성된 구조를 응용하며, 휘발성이 좋은 유체 또는 열이 발생하였을 때 기화되는 성질의 액체가 공기와 적절히 채워져 밀폐되어 있다.

상기 하우징(104)은 상기 전조등 케이스(102)에 밀폐 구조를 형성하여 상기 전조등 케이스(102) 내부의 습기를 차폐시킨다.

또한, 상기 하우징(104)은 내열성 재료로서 열 전도도가 높은 매질을 이용하며, 열화가 되지 않으면서도 수명이 길고 사출이 가능한 재료를 이용한다.

그리고, 상기 박판형 1차 열 교환기(103)와 상기 박판형 2차 열 교환기(105) 사이 부분을 최대한 얇게 하여 열 전달 및 열 교환에 있어서 효율성을 높힌다.

상기 박판형 2차 열 교환기(105)는 상기 하우징(104) 사이로 상기 박판형 1차 열 교환기(103)로부터 전달되는 열을 상기 냉각층(106)에 유입된 공기로 방출시킨다. 그리고, 상기 박판형 2차 열 교환기(105)는 시스템의 경량화, 소형화를 위하여 박판형으로 구성하며, 내부에는 마이크로 채널을 형성한다.

상기 냉각층(106)은 엔진으로부터 발생된 열을 상기 발광 다이오드 패키지(101)로 전달되지 않도록 하며, 상기 발광 다이오드 패키지(101)로부터 발생된 열을 방출하기 위해 통풍구를 포함한다. 또한 상기 냉각층(106)의 공기 유입 및 배출 통로를 제외한 나머지 공간은 외부로부터 차폐한다.

상기 통풍구는 상기 상부 공기 배출관(109), 하부 공기 유입관, 상기 좌우 공기 유입 및 배출관(110)을 포함한다.

상기 박판형 3차 열 교환기(107)는 상기 엔진으로부터 발생하는 열을 상기 발광 다이오드 패키지(101)로 전달하지 않고 상기 냉각층(106)에 유입된 공기를 통하여 냉각시킨다.

상기 열 차폐층(108)은 상기 박판형 3차 열 교환기(107)의 배면에 위치하여 상기 엔진으로부터 전달되는 열을 최대한 지연하기 위하여 낮은 열 전도도를 가진 다. 그리고 상기 열 차폐층(108)은 열 전도도가 0.1 W/m-K 이하의 물질로 구성하며, 상기 하우징(104) 전체를 방호할 수 있도록 구성한다.

상기 상부 공기 배출관(109)은 배출이 원활하도록 차량의 법선 방향으로 형성되며 엔진으로부터 불어져 나오는 고온의 공기가 냉각층으로 유입되지 않도록 한다.

상기 좌우 공기 유입 및 배출관(110)은 방수팬의 볼 베어링의 수명을 최대한 늘이기 위하여 운행시에는 공기의 유입량을 적도록 운행 방향의 법선 방향으로 위치하고, 상기 방수팬의 설치가 가능하도록 충분히 커야한다. 또한, 상기 좌우 공기 유입 빛 배출관(110)은 일측이 유입이면, 타측이 배출할 수 있도록 한다.

도 2a 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 정지시 냉각층의 공기 유입 및 배출관에 대한 상면도이고, 도 2b 는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 운행시 냉각층의 공기 유입 및 배출관에 대한 상면도이다.

도 2a, 도 2b 를 참조하면, 방수팬(201), 좌우 공기 유입 및 배출관(202), 상부 공기 배출관(203), 하부 공기 유입관(204)을 포함한다.

상기 방수팬(201)은 차량의 정지시 공기의 강제 대류를 위해 상기 좌우 공기 유입 및 배출관(202) 내에 위치한다.

상기 좌우 공기 유입 및 배출관(202)은 상기 방수팬(201)의 볼 베어링의 수명을 최대한 늘이기 위해서 저속 주행 및 정지시 공기의 유입량이 적도록 운행 방향의 법선 방향으로 위치하며, 방수팬(201)의 설치가 가능하도록 충분히 크게 한다. 또한, 좌우측의 유입 및 배출관은 일측이 유입이면, 타측이 배출할 수 있도록 한다.

상기 상하 공기 배출관(203)과 상기 하부 공기 유입관(204)은 고속 주행시 공기 유입이 원활하도록 하측에 유입관을 두어 공기 유입 방향이 하측에서 상측으로 하며, 배출관의 방향은 차량의 엔진실 방향에 법선 방향으로 하여 고온의 공기가 상기 냉각층으로 유입되지 않고 배출할 수 있게 한다.

도 3 은 종래 기술에 따른 정지시 시물레이션 결과이고, 도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 정지시 시물레이션 결과이다.

도 3 과 하기의 표1 을 참조하면, 엔진으로부터 직접적으로 전달된 열이 85도임을 가정한 결과로서 정지시에 각각의 발광 다이오드가 1W로 가동하고, 전체 모듈을 100W로 하여 전조등을 가동시 발광 다이오드에 발생하는 온도는 152.8도로서 접합 온도가 120도 이상에서 순전압 및 순전류가 감소하는 소자의 경우 적용이 불가하며, 그 이상의 접합 온도에서도 감소하지 않는 소자라 할지라도 차량이 가동하고 있지 않은 상온 25도와의 온도 편차는 127.8도로서 열 저항이 높은 부분의 접합 물질간의 열팽창 계수 부정합으로 인하여 패키지의 신뢰성이 감소한다.

도 4 와 하기의 표 2 를 참조하면, 도 3 의 조건과 동일하게 하고 차량의 정지시에 방수팬을 가동하였을 경우, 발광 다이오드의 접합 온도로서 67.9도로서 도 3 의 결과에 비하여 약 84.9도가 개선되었다. 또한 엔진에서 불어오는 공기가 85도인 경우에도 방수팬과 냉각층에 의한 열 차폐효과와 냉각 효과가 있다.

도 5 는 종래 기술에 따른 운행시 시물레이션 결과이고, 도 6 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 시물레이션 결과이다.

도 5 와 하기의 표 3 을 참조하면, 차량의 주행 속도를 40Km로 하여 운행시 동일한 유속으로 전조등에 강제 대류 현상이 발생하는 것을 가정했을 때, 98.2도로서 정지시보다 안정적으로는 보이지만, 전조등은 정지시에 접합 온도를 만족하지 못하기 때문에 발광 다이오드를 적용하기에 부적합하다.

도 6 과 하기의 표 4 를 참조하면, 방수팬을 정지하고 40Km로 주행시 정지시의 방수팬 가동 결과가 비슷하다.(표 2 참조)

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 전조등 내부의 밀폐 구조를 제공함으로써 패키징 재료의 흡습에 의한 변형에 의한 파손을 방지하는 효과가 있다.

또한, 엔진으로부터 전달되는 열을 차폐하여 성능 저하, 시스템 불량을 방지하여 신뢰성을 확보하는 효과가 있다.

그리고, LED에서 발생하는 열을 신속하게 제거함으로써 열적 피로를 감소시키는 효과가 있다.

게다가, 디자인의 자유도 증대, 슬림화, 경량화, 전면 발광 등의 고급화를 확보하는 효과가 있다

결과적으로, 안전성 향상, 저소비 전력으로 배터리 용량 감소의 효과가 있다.

Claims (7)

1. 발광 다이오드 패키지(101)와 결합하는 케이스(102);

   상기 발광 다이오드로부터 발생한 열을 확산시키는 박판형 제 1차 열 교환기(103);

   상기 박판형 제 1차 열 교환기의 배면에 위치하고, 상기 케이스 내의 습기를 차폐하는 하우징(104);

   상기 하우징을 거쳐 전달된 열을 공기로 방출하기 위한 박판형 제 2차 열 교환기(105);

   상기 박판형 제 2차 열 교환기 배면에 위치하고, 엔진으로부터 발생한 열을 방출하는 냉각층(106);

   상기 냉각층의 배면에 위치하고, 상기 엔진으로부터 발생한 열을 냉각시키는 박판형 제 3차 열 교환기(107); 및

   상기 박판형 제 3차 열 교환기 배면에 위치하여 상기 엔진으로부터 발생한 열을 최대한 지연시키는 열 차폐층(108)을 포함하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 박판형 제 1차 열 교환기는 상기 발광 다이오드 패키지의 배면에 위치하는 것을 특징으로 하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각층은 통풍구를 포함하는 것을 특징으로 하는 자 동차 LED 전조등용 방열 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 통풍구는 상부 공기 배출관, 하부 공기 유입관, 좌우 공기 유입 및 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 통풍구는 고속 주행시 상기 상부 공기 배출관에서 공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 좌우 공기 유입 및 배출관(110, 202)은 차량의 정지 및 저속 주행 시 공기를 강제 대류시키는 방수팬(201)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 LED 전조등용 방열 장치.
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