KR101057885B1

KR101057885B1 - 발열소자용 방열장치 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101057885B1
Application number: KR20090126876A
Authority: KR
Inventors: 이상갑
Original assignee: 이상갑
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-08-19
Also published as: KR20110070155A

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 발열소자용 방열장치는 발열소자의 발열부분과 면접촉하도록 결합되는 흡열플레이트와, 상기 흡열플레이트와 결합하여 밀폐된 진공의 방열챔버를 형성하는 방열플레이트와, 상기 발열챔버 내에 노출된 상기 흡열플레이트와 방열플레이트의 내벽을 따라 도포된 소결층 및 상기 방열챔버 내에 장입되어 순환하면서 열을 이동시키는 작동유체를 포함한다.

본 발명에 의한 발열소자용 방열장치 및 그 제조방법에 의하면, 적은 부피와 면적을 차지하고도 방열구조를 컴팩트하게 구현할 수 있어서 장치의 공간 이용효율이 향상된다.

진공히트베이스, 발열소자, 방열장치, 발열체, LED

Description

발열소자용 방열장치 및 그 제조방법{Heat-transfer apparatus for heat generating components and manufacturing method thereof}

본 발명은 발열소자용 방열장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엘이디(LED;Light Emitting Diode) 등과 같은 발열소자로부터 열을 급속하게 이동시켜 냉각할 수 있는 발열소자용 방열장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 LED(발광다이오드)는 반도체의 일종으로, 전압을 가하면 전기에너지가 빛에너지로 변화하여 발광(發光)하는 형상을 이용하는 발광수단의 일종이다.

이러한 LED를 이용한 조명기구는 현재 주로 사용되고 있는 백열등이나 형광등에 비하여 전력소비가 적을 뿐 아니라 다양한 색상의 빛을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 실재 LED는 화합물반도체에 사용되는 원소의 조성비에 따라 달라지게 되고, 갈륨과 인의 조성비에 따라 적색에서 자외선(UV)에 근접한 색상까지 만들 수 있다. 이러한 원리로 LED는 적색, 녹색, 청색의 색의 삼원색에 해당하는 LED모듈을 생산하게 되었고, 이러한 색의 삼원색에 해당하는 모듈의 조합으로 실재 트루컬러의 색상표현이 가능해졌다.

때문에 실내조명뿐 아니라 LED소자를 모듈화 한 전광판이나 자동차용 조명, 신호등을 비롯하여 모니터와 TV 등의 디스플레이, 통신용전송장치 및 광계측기 등의 광 응용분야에 이르기까지 다양한 분야로의 발전 가능성을 보이고 있다.

하지만 상기와 같은 LED소자는 시간이 경과함에 따라 발열량이 증가하게 되어, 발열에 따른 기기의 오작동 또는 파손을 방지하기 위해 방열구조를 갖는 히트싱크(Heat sink) 또는 히트파이프(Heat pipe) 등을 설치하여 사용했으나, LED소자에 비하여 설치되는 방열구조의 부피나 면적이 커서 전체적인 구조물의 크기가 증가하기 때문에, 효율적인 방열효과를 얻기 힘들다는 한계에 직면하게 되었다.

본 발명은 발열소자용 방열장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 부피나 면적을 많이 차지하지 않도록 방열구조를 간소하게 구성하면서도, 발열소자로부터 발생하는 열을 외부로 급속하게 이동시켜 냉각할 수 있는 발열소자용 방열장치 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 방열플레이트는, 일측에 결합하여 발열면적을 증대시키는 방열핀을 포함할 수 있다.

일단이 상기 방열챔버에 연통하고 타단이 외부로 노출되어, 상기 방열챔버를 진공상태로 유지하기 위해 공기를 빼낼 수 있는 핀치(Pinch)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 발열소자의 발열부분에 결합될 흡열플레이트를 스탬핑(Stamping)하는 단계와, 상기 흡열플레이트와 결합하여 밀폐된 진공의 방열챔버를 형성하게 될 방열플레이트를 스탬핑하는 단계와, 맨드렐이 삽입된 상태로 상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 가접하여 임시 방열챔버를 형성하는 단계와, 상기 흡열플레이트와 방열플레이트에 의해 형성된 임시 방열챔버의 내부에 맨드렐(mandrel)이 삽입된 채 구리분말을 장입하는 단계와, 상기 구리분말을 소결하여 상기 임시 방열챔버 내부에 소결층을 형성하는 단계와, 상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 분리하여 상기 임시 방열챔버에 삽입된 맨드렐을 제거하는 단계와, 상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 용접하여 방열챔버를 형성하는 단계와, 상기 방열챔버 내부를 진공처리하고 핀치를 형성하는 단계를 포함하는 발열소자용 방열장치의 제조방법이 제공된다.

상기 발열소자용 방열장치의 제조방법은, 상기 흡열 및 방열플레이트를 스템핑 후에 초음파세척 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 흡열플레이트와 방열플레이트의 용접은 티그용접(Tig welding)이며, 상기 티그용접 부분을 풀림(Annealing)하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 풀림은 450℃ 온도에서 60분간 이루어질 수 있다.

발열면적을 증대시키기 위하여 상기 방열플레이트의 일측에 방열핀을 결합하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 소결층을 형성하는 단계는, 90~100mesh의 구리분말을 900~1000℃에서 3시간 동안 소결시킬 수 있다.

또한 발열소자로부터 토출되는 열을 히트플레이트를 통해 급속도로 전달함으로써 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 발열소자용 방열장치와 방열소자가 결합된상태를 나타낸 결합사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 발열소자용 방열장치(100)는 발열소자(200)의 하측에서 상기 발열소자(200)의 발열부에 의해 발열되는 열을 전도하는 흡열플레이트(110)와, 상기 흡열플레이트(110) 하측에 결합되어 상기 흡열플레이트(110)에 축적된 열을 방출시키는 방열핀(130)을 포함한다. 여기서 상기 발열소자(200)의 발열부는, 발광체인 LED(210)와, 이러한 LED(210)를 구동하기 위한 PCB(Printed Circuit Board)기판(220)을 포함한다.

도 2는 도 1에 나타낸 흡열플레이트와 방열플레이트의 분해사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 흡열플레이트(110)는 일 측면이 타 측면으로부터 돌출되는 얇은 판재로, 돌출되는 일 측면이 열원인 상기 발열소자(200)에 결합되어 흡열기능을 갖는다.

상기 흡열플레이트(110)의 타 측면인 하측방향으로는 상기 방열플레이트(120)가 결합된다. 상기 방열플레이트(120)는 상기 흡열플레이트(110)와 결합하여 내부에 소정의 공간이 형성되는데 이 공간이 상기 흡열플레이트(110)로부터 상기 방열플레이트(120)로 열을 전달하는 방열챔버(111)가 된다. 상기 방열챔버(111)는 내부에 소결층(140)이 형성되기까지 탈부착이 가능하도록 가접될 수 있다.

상기 소결층(140)이 형성되기 위해서는 상기 방열챔버(111)에 맨드렐(Mandrel)(131)이 삽입된다. 상기 맨드렐(131)은 상기 방열챔버(111)의 내벽으로부터 소정간격 이격되도록 삽입되고, 상기 방열챔버(111)와 맨드렐(131) 사이의 공간에 소결층(140) 형성을 위한 소결체가 장입된다.

상기 소결체는 보통 구리분말을 사용하며, 구리분말의 질량, 순도 및 직경에 따라서 소결 온도를 달리하여 제조할 수 있다. 상기 소결체는 약 900~1000℃에서 약 3시간 가량 소결시키며, 상기 소결층(140)이 형성된 후 맨드렐(131)은 상기 방열챔버(111)로부터 제거된다.

도 3은 도 2에 나타낸 흡열플레이트와 방열플레이트가 결합된 사시도, 도 4는 도 3에 나타낸 A-A' 단면도이다.

도 3 및 4를 참조하면, 상기 흡열플레이트(110)와 방열플레이트(120)가 결합되어 용접된 상태(이하, 히트플레이트(130)로 지칭함)로 내부에 밀폐된 상기 방열챔버(111)를 갖는다. 상기 방열챔버(111) 내부는 후기 할 작동유체(150)가 주입되고, 상기 히트플레이트(130)의 내벽을 따라서 소결층(140)이 형성되어 있다. 상기 방열챔버(111)의 내부 공간은 상기 작동유체(150)가 기화하며 이동하는 통로가 되고, 상기 소결층(140)은 내부에 극히 작은 모세관 형상의 관이 연통되도록 형성되어 기화된 기체의 이동 통로가 된다.

도 5는 도 1에 나타낸 히트플레이트의 부분확대도이다.

도 5를 참조하면, 상기 히트플레이트(130)는 내부의 상기 방열챔버(111)와 연통되도록 형성되는 핀치(112)를 포함한다. 상기 핀치(112)는 상기 히트플레이트(130)의 외측면에 형성되고, 보다 바람직하게는 압력의 영향에 제한받지 않고, 상기 히트플레이트(130)의 외측으로 돌출되는 것을 방지하도록 상기 히트플레이트(130)의 일 단부에 형성된다.

상기 핀치(112)는 상기 방열챔버(111) 내부에 진공이 형성되도록 공기를 빼낼 수 있고, 공기를 빼낸 후에 상기 방열챔버(111) 내부에는 냉매가 주입되며, 상기 핀치(112)를 차폐하는 콕(Cock)이 설치된다. 상기 콕은 상기 핀치(112)의 외주면과 함께 용접되어 진공을 유지한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 상기 발열소자용 방열장치의 제조방법에 관해 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발열소자용 방열장치의 제조방법을 나타내는 플로어차트이다.

도 2 내지 도 6을 참조하면, 상기 발열소자용 방열장치의 제조방법은 상기 흡열플레이트(110)를 스템핑하는 단계(S11)와 상기 방열플레이트(120)를 스템핑하 는 단계(S12), 상기 흡열 및 방열플레이트(120)를 초음파 세척하는 단계(S13), 상기 흡열 및 방열플레이트(120)를 가접하여 임시방열챔버(111)를 형성하는 단계(S14), 상기 임시방열챔버(111)에 맨드렐(131)을 삽입 후 구리분말을 장입하는 단계(S15), 상기 임시방열챔버(111)에 소결층(140)을 형성하는 단계(S16), 상기 임시방열챔버(111)로부터 삽입되었던 맨드렐(131)을 제거하는 단계(S17), 상기 흡열 및 방열플레이트(120)를 용접하여 방열챔버(111)를 형성하는 단계(S18), 상기 흡열 및 방열플레이트(120)의 용접부분을 풀림하는 단계(S19), 상기 방열챔버(111)의 내부를 진공처리하고 핀치(112)를 형성하는 단계(S20) 및 상기 방열플레이트(120)에 방열핀을 결합하는 단계(S21)를 포함한다.

상기 흡열플레이트(110) 스템핑 단계(S11)와 상기 방열프렐이트 스템핑 단계(S12)는 열전도 성능이 우수한 구리를 사용하여 얇은 판재로 가공하는 단계이다. 상기 흡열플레이트(110)는 상기 발열소자(200)와 결합하는 방향으로 소정간격 돌출되도록 형성되어 상기 방열플레이트(120)와 결합 시 내부에 상기 방열챔버(111)가 형성된다.

상기 흡열플레이트(110) 및 방열플레이트(120) 스템핑 단계 완료 후, 상기 흡열 및 방열플레이트(120)의 가공면을 초음파 세척하는 단계(S13)가 이루어진다.

상기 초음파 세척단계가 완료되면, 상기 흡열플레이트(110)와 방열플레이트(120)를 가접하여 임시방열챔버(111)를 형성하는 단계(S14)가 이루어진다. 상기 임시방열챔버(111)는 상기 흡열플레이트(110)와 방열플레이트(120)를 탈부착 할 수 있도록 임시적으로 형성된다.

상기 임시방열챔버(111) 형성단계가 완료되면, 상기 임시방열챔버(111)에 맨드렐(131)을 삽입하고 구리분말을 장입하는 단계(S15)가 이루어진다. 상기 맨드렐(131)은 상기 임시방열챔버(111)로부터 소정의 공간을 확보하도록 삽입되고, 상기 맨드렐(131)과 상기 임시방열챔버(111) 사이의 공간에는 구리분말이 장입되어 소결된다. 상기 구리분말 또는 소결체의 장입은 흡열플레이트(110) 상에 구리분말을 채우고, 그 위에 맨드렐(131)을 배치한 후, 그 위에 상기 구리분말을 채우고 방열플레이트(120)와 가접하여 임시 방열챔버에 소결층(140)을 형성할 수 있고, 또는 임시 방열챔버(111) 내부에 맨드렐(131)이 상기 임시 방열챔버(111) 내부로부터 간격을 갖도록 이격시켜 배치한 후, 핀치(112)를 통하여 구리분말을 장입하고 소결하여 소결층(140)을 형성할 수도 있다. 따라서 상기 구리분말 또는 소결체의 장입은 여러 가지 장입방법에 따라서 사용자가 선택적으로 사용할 수 있다.

상기 구리분말 장입단계가 완료되면, 상기 구리분말을 소결하여 상기 임시방열챔버(111)에 소결층(140)을 형성하는 단계(S16)가 이루어진다. 상기 소결층(140)은 분말소결법을 이용한 모세관 유형의 타입으로 내부의 상기 작동유체(150)가 역방향 동작 시에도 효과적인 성능을 갖는다.

상기 소결층(140)을 형성하는 단계가 완료되면, 상기 임시방열챔버(111)에 삽입된 맨드렐(131) 제거단계(S17)가 이루어진다. 상기 맨드렐(131)은 주로 스테인리스 스틸과 같은 내식성과 내열성이 우수하고 상기 구리보다 녹는점이 높은 재질을 사용한다.

상기 맨드렐(131) 제거단계가 완료된 후, 상기 흡열 및 방열플레이트(120)를 용접하여 방열챔버(111)를 형성하는 단계(S18)가 이루어진다. 상기 흡열플레이트(110) 및 방열플레이트(120)를 용접하면 하나의 하우징으로 형성되어 히트플레이트(130)가 완성된다. 상기 히트플레이트(130) 내부에는 방열챔버(111)가 형성되고, 상기 방열챔버(111) 내부에는 소결층(140)이 형성된다.

상기 방열챔버(111)를 형성하는 단계가 완료된 후, 상기 흡열 및 방열플레이트(120)의 용접된 부분을 풀림(S19)하는 단계가 이루어진다. 상기 용접은 티 그(Tig)용접으로 상기 히트플레이트(130)의 용접부분은 고온의 용접으로 인해 경화되어 크랙이 발생하기 쉽다. 따라서 일정한 온도로 가열한 다음에 천천히 식혀 내부 조직을 고르게 하고 응력을 제거하는 풀림단계가 이루어진다.

상기 풀림단계가 완료되면, 상기 방열챔버(111) 내부를 진공처리하고 핀치(112)를 형성하는 단계(S20)가 이루어진다. 상기 핀치(112)는 상기 방열챔버(111)로부터 공기를 빼고, 냉매를 주입한 후, 상기 핀치(112)를 차폐하는 콕을 삽입하여 상기 핀치(112)의 외주면과 함께 용접한다. 상기 핀치(112)와 콕은 일체로 용접된 후 상기 히트플레이트(130)의 외부로 돌출되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 핀치(112)를 형성하는 단계 완료 후, 상기 방열플레이트(120)에 방열핀을 결합하는 단계(S21)가 이루어진다. 상기 방열핀은 상기 발열소자(200)의 발열온도에 대응하여 상기 방열핀의 크기를 조절하여 설치한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 발열소자용 방열장치(100) 및 그 제조방법에 의하면, 적은 부피와 면적을 차지하고도 방열구조를 컴팩트하게 구현할 수 있어서 장치의 공간 이용효율이 향상되고, 또한 발열소자(200)로부터 토출되는 열을 히트플레이트(130)를 통해 급속도로 전달함으로써 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기 술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 3은 도 2에 나타낸 흡열플레이트와 방열플레이트가 결합된 사시도이다.

도 4는 도 3에 나타낸 히트플레이트의 A-A' 단면도이다.

도 5는 도 1에 나타낸 히트플레이트의 부분확대도이다.

도 6은 도 2에 나타낸 발열소자용 방열장치의 제조방법에 따른 플로어차트이다.

<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>

100 : 방열장치 110 : 흡열플레이트

120 : 방열플레이트 130 : 히트플레이트

140 : 소결체 150 : 작동유체

160 : 방열핀 200 : 발열소자

Claims

발열소자의 발열부분과 면접촉하도록 결합되는 흡열플레이트;

상기 흡열플레이트와 결합하여 밀폐된 진공의 방열챔버를 형성하는 방열플레이트;

상기 발열챔버 내에 노출된 상기 흡열플레이트와 방열플레이트의 내벽을 따라 도포된 소결층; 및

상기 방열챔버 내에 장입되어 순환하면서 열을 이동시키는 작동유체를 포함하는 발열소자용 방열장치.
청구항 1에 있어서,

상기 방열플레이트는,

일측에 결합하여 발열면적을 증대시키는 방열핀을 포함하는 발열소자용 방열장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

일단이 상기 방열챔버에 연통하고 타단이 외부로 노출되어, 상기 방열챔버를 진공상태로 유지하기 위해 공기를 빼낼 수 있는 핀치(Pinch)를 더 포함하는 발열소자용 방열장치.
발열소자의 발열부분에 결합될 흡열플레이트를 스탬핑(Stamping)하는 단계;

상기 흡열플레이트와 결합하여 밀폐된 진공의 방열챔버를 형성하게 될 방열플레이트를 스탬핑하는 단계;

맨드렐이 삽입된 상태로 상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 가접하여 임시 방열챔버를 형성하는 단계;

상기 흡열플레이트와 방열플레이트에 의해 형성된 임시 방열챔버의 내부에 맨드렐(mandrel)이 삽입된 채 구리분말을 장입하는 단계;

상기 구리분말을 소결하여 상기 임시 방열챔버 내부에 소결층을 형성하는 단계;

상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 분리하여 상기 임시 방열챔버에 삽입된 맨드렐을 제거하는 단계;

상기 흡열플레이트와 방열플레이트를 용접하여 방열챔버를 형성하는 단계;

상기 방열챔버 내부를 진공처리하고 핀치를 형성하는 단계를 포함하는 발열소자용 방열장치의 제조방법.
청구항 4에 있어서,

상기 흡열 및 방열플레이트를 스템핑 후에 초음파세척 하는 단계를 더 포함하는 발열소자용 방열장치의 제조방법.
청구항 4에 있어서,

상기 흡열플레이트와 방열플레이트의 용접은 티그용접(Tig welding)이며, 상기 티그용접 부분을 풀림(Annealing)하는 단계를 더 포함하는 발열소자용 방열장치의 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 풀림은 450℃ 온도에서 60분간 이루어지는 발열소자용 방열장치의 제조방법법.
청구항 4에 있어서,

발열면적을 증대시키기 위하여 상기 방열플레이트의 일측에 방열핀을 결합하는 단계를 더 포함하는 발열소자용 방열장치의 제조방법.
청구항 4 내지 청구항 8 중 어느 한 청구항에 있어서,

상기 소결층을 형성하는 단계는,

90~100mesh의 구리분말을 900~1000℃에서 3시간 동안 소결시키는 발열소자용 방열장치의 제조방법.