KR101126074B1

KR101126074B1 - 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등

Info

Publication number: KR101126074B1
Application number: KR1020100049730A
Authority: KR
Inventors: 이호석; 안홍림
Original assignee: 주식회사 세명알엔지
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2010-05-27
Publication date: 2012-03-16
Also published as: KR20110130202A

Abstract

본 발명은 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부에 요입부가 형성된 상부 방열판과 하부 방열판을 결합하여 외부로 부터 밀폐된 공간을 형성하고, 그 공간에 히트 파이프용 냉매를 내장하며, 그 공간 내부에 분리막을 설치하여 상기 냉매가 기화 및 액화 작용을 통해 공간 내부에서 순환할 수 있는 구조를 형성하여, 별도의 히트 파이프를 설치하지 않아도 LED 모듈에서 발생하는 열을 방열판에 효과적으로 전달할 수 있는 것이 가능하여 엘이디등의 제조 원가를 낮추고 방열 효율을 높이는 것이 가능한 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, LED 모듈의 배면에 방열핀이 형성된 방열판이 부착되어 열을 방열하는 고휘도(30~200W) LED 등에 있어서, 상기 방열판은 내측에 요입부가 형성되는 상부 방열판과 하부 방열판이 기밀되게 결합되어 내부에 밀폐된 공간부가 형성되고, 상기 공간부에는 냉매가 봉입되며 상기 냉매의 내부 순환을 유도하는 베이스 분리막이 설치됨을 특징으로 하는 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등이 제공된다.

Description

히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등{Heat-release LED lighting device with a multipurpose radiator}

본 발명은 히트 파이프(Heat pipe) 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 내부에 요입부가 형성된 상부 방열판과 하부 방열판을 결합하여 외부로 부터 밀폐된 공간을 형성하고, 그 공간에 히트 파이프용 냉매를 내장하며, 그 공간 내부에 분리막을 설치하여 상기 냉매가 기화 및 액화 작용을 통해 공간 내부에서 순환할 수 있는 구조를 형성하여, 별도의 히트 파이프를 설치하지 않아도 LED 모듈에서 발생하는 열을 방열판에 효과적으로 전달할 수 있는 것이 가능하여 엘이디등의 제조 원가를 낮추고 방열 효율을 높이는 것이 가능한 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등에 관한 것이다.

일반적으로 발광다이오드(Light Emitting Diode : LED)는 화합물 반도체의 P-N 접합 구조를 이용하여 주입된 소수 캐리어(전자 또는 정공)를 만들어 내고, 이들의 재결합에 의하여 소정의 빛을 발산하는 반도체 소자를 지칭한다. 이러한 LED는 기존의 전구 또는 형광등에 비하여 소모 전력이 작고 수명이 수 내지 수십 배에 이르러 소모 전력의 절감과 내구성 측면에서 월등하여 LED 소자(Chip)를 리드 프레임에 실장하여 LED 패키지를 구성하고, 다수의 LED 패키지를 기판 상에 장착하여 LED 모듈을 구성하여 사용되고 있다.

하지만 상술한 LED 소자는 인가되는 전류의 크기에 따라 그 밝기가 조절되는데, 최근 LED 소자에 대한 기술이 점점 발달함에 따라 고전류를 인가하여 LED 소자의 밝기를 획기적으로 향상 시킬 수 있게 되었다. 하지만 LED 소자에 고전류를 인가할 경우 밝은 빛과 함께 많은 열이 발생하므로, 이를 해결하지 아니할 경우 LED 소자가 열화되어 크랙이 발생하는 등의 문제를 야기하고 있다.

이를 방지하기 위해 LED 조명을 이용한 시스템에서는 방열에 대한 해결책이 제시되고 있는데, 방열이 원활하지 않을 경우, LED의 광효율의 감소, 색온도 변이, LED 및 주변 부품의 수명 단축, 시스템의 신뢰성 불량 등의 문제가 발생하게 된다. 특히, 광효율 감소는 제품의 가격을 상승시키는 요소가 되므로 LED 조명시스템의 가격경쟁력을 하락시키는 주된 요인이 된다.

따라서 고휘도(30~200W) LED 소자를 사용하기 위해서는 LED 소자의 최고 온도를 80℃ 이하로 유지해야 되고 이를 위해 별도의 방열 구조를 LED 모듈의 배면에 설치하여 사용하고 있는데, 이러한 종래의 방렬 구조는 설치된 방열판으로의 열전달을 효율적으로 하기 위해서 방열판의 내부에 히트 파이프를 매설하고 그 내부에 냉매을 주입하여 냉매의 기화 및 액화를 이용하여 LED 소자에서 발생하는 열을 방열판의 상부 끝단까지 전달 될 수 있도록 함으로써 방열의 효율성을 높이고 있다.

하지만, 이러한 방열 구조는 히트 파이프를 별도로 제작하여 방열판의 중앙에 삽입해야 하므로 제조가 용이하지 않고 별도의 비용이 추가되며, 냉매이 기화된 후에 방열판으로 열을 전달하기 위해서는 그 중앙에 있는 히트 파이프의 외벽을 거치게 되므로 열전달 시 손실이 발생하고 히트 파이프와 방열판 사이에 공극이 존재하게 되면 이 공극이 단열재로 작용하게 되므로 신속하게 방열을 수행하기에는 미흡한 문제점이 있었다.

그러므로 종래의 30W 급 이상 고휘도 LED 조명등(가로등, 보안등, 경관등)의 경우 LED 소자 모듈 방열판이 효율적인 방열구조가 아니어서 LED 소자 모듈의 본 기능을 발휘하지 못하며, 조명등 전체의 수명이 짧은 단점을 가지고 있었다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 본 발명의 복합방열기구를 사용함으로써 고휘도(30~200W) LED 소자를 적용한 LED 등(Light)의 온도를 80℃ 이하로 유지하여 에너지 효율을 높이고, LED 소자의 수명을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

또한 냉매가 내부에 봉입되는 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 사용함으로써 고휘도(30~200W) LED 소자를 적용한 LED 등의 제조를 용이하게 하고 그 제조 원가를 낮추는 것을 목적으로 한다.

그리고 기화되는 냉매와 방열판이 직접 접촉함으로써 상기 방열판으로의 열전달의 효율을 극대화 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

뿐만 아니라 기화되는 냉매가 밀폐된 공간의 내부에서 순환할 수 있는 구조를 제공함으로써 하부 방열판 뿐만 아니라 상부 방열판의 끝단까지 열이 잘 전달되어 방열 효율을 극대화 할 수 있는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 LED 모듈의 배면에 방열핀이 형성된 방열판이 부착되어 열을 방열하는 고휘도(30~200W) LED 등에 있어서, 상기 방열판은 내측에 요입부가 형성되는 상부 방열판과 하부 방열판이 기밀되게 결합되어 내부에 밀폐된 공간부가 형성되고, 상기 공간부에는 냉매가 봉입되며 상기 냉매의 내부 순환을 유도하는 베이스 분리막이 설치 됨을 적용한 고효율 엘이디등을 제공한다.

LED 소자 모듈에서 발생하는 열을 효과적으로 전달 및 방열시켜 LED 소자 모듈의 온도를 일정 온도 이하로 유지시키고, 이로 인하여 LED 소자 모듈이 본 기능 발휘를 가능하게 하고, 복합방열기구가 히트 파이프의 기능을 포함하기 때문에 전체적인 부피 축소 및 경량화가 가능한 효과가 있다.

또한 냉매가 내부에 봉입되는 히트 파이프를 제거함으로써, 방열판의 제조가 용이하고, 그 제조 원가가 낮으며, 기화되는 냉매와 방열판이 직접 접촉함으로써 상기 방열판으로의 열전달의 효율을 극대화 할 수 있고, 기화되는 냉매가 밀폐된 공간의 내부에서 순환할 수 있는 구조를 제공함으로써 하부 방열판 뿐만 아니라 상부 방열판의 끝단까지 열이 잘 전달될 수 있도록 하여 방열 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 단층 구조 복합방열기구 LED 등의 단면도.
도 2는 복층 구조 복합방열기구 LED 등의 단면도.
도 3은 단층 구조 복합방열기구 LED 등의 전개도.
도 4는 복층 구조 복합방열기구 LED 등의 전개도.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 단층 구조 복합방열기구 LED 등의 단면도이고, 도 2는 복층 구조 복합방열기구 LED 등의 단면도이며, 도 3은 단층 구조 복합방열기구 LED 등의 전개도이며, 도 4는 복층 구조 복합방열기구 LED 등의 전개도이다.

본 발명의 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등(100)은 LED 모듈(1)의 배면에 방열핀(2)이 형성된 방열판이 부착되어 열을 방열하는 고휘도(30~200W) LED 등에 있어서, 상기 방열판은 내측에 요입부가 형성되는 상부 방열판(3)과 하부 방열판(4)이 기밀되게 결합되어 내부에 밀폐된 공간부(5)가 형성되고, 상기 공간부(5)에는 냉매(6)가 봉입되며 상기 냉매(6)의 내부 순환을 유도하는 베이스 분리막(7)이 설치된다.

그리고 상기 베이스 분리막(7)은 중앙부에 기화공(8)이 뚫려 있고 외주면 근방에는 응축수 낙하공(9)이 복수개 형성되어 있으며, 끝단에서 중앙부로는 수평에 대하여 위로 경사를 형성하여 상부와 하부에 각각 상부 경사면(10)과 하부 경사면(11)을 가지고 있으며, 상부 경사면(10)의 경사각이 하부 경사면(11)의 경사각보다 작게 설치된다.

또한 본 발명의 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등(100)은 분리막을 도 2에 도시한 바와 같이 LED 가 대형일 때는 복층으로 형성하여 복층분리막(12)이 설치된다.

도면 중 미설명부로 오링은 13이고 볼트는 14이며 너트는 15이다.

이와 같이 된 본 발명은 방열판의 내부에 열전달용 냉매(6)를 봉입한 히트 파이프가 설치되어 있던 것을 제거하고, 상기 방열판의 내부에 밀폐된 공간이 형성된 복합방열기구를 이용하여 LED 등을 방열하는 것으로, 내부에 밀폐된 공간을 형성하기 위해 방열판을 상부 방열판(3)과 하부 방열판(4)으로 나누어 공간부(5)를 형성하고, 상기 공간부(5)에 냉매(6)를 주입 하였으며, 상기 공간부(5)에 공기 대류를 유도할 수 있는 베이스 분리막(7)을 단면 "

" 형상으로 설치한 것인데, 이렇게 제작하게 되면, 히트 파이프를 별도로 제작하지 않아도 되기 때문에 제조가 쉽고, 제조 원가가 낮아지며, 히트 파이프의 외벽으로 인한 열전달의 효율 저하를 극복할 수 있을 뿐만 아니라, 내부의 냉매(6)의 순환 구조로 인하여 방열판의 열전달 효율을 극대화 할 수 있는 것으로, 이에 따른 작용 설명을 LED 모듈(1)에서 발생하는 열을 방열하는 과정에 따라 설명하면 다음과 같다.

먼저 LED 모듈(1)에 고전류를 인가하게 되면 LED 모듈(1)에 열이 자연스럽게 발생하게 된다. 이는 LED 모듈(1)의 배면에 인접하여 설치된 하부 방열판(4)에 열을 전달하게 되고, 하부 방열판(4)의 내주면 안쪽으로 형성된 공간부(5)에 봉입된 냉매(6)를 끓이게 되며, 열을 전달받은 냉매(6)는 곧 기화되어 상부로 상승하게 된다.

본 발명은 기화된 냉매가 밀폐된 공간의 중앙부를 통해 상승하고 상부 방열판(3)과 접촉하여 상기 방열판(3)의 내주면을 따라 하강하는 대류 현상을 유도할 수 있도록 한 것을 큰 특징으로 하는데, 이는 기화되어 상승하는 냉매(6)가 베이스 분리막(7)의 하부 경사면(11)과 접촉하여 경사면을 따라 상승하면서 기화공(8)쪽으로 유도됨으로 인해 달성된다.

그리고 기화된 냉매(6)가 상기 기화공(8)을 지나 상부 방열판(3) 쪽으로 이동하게 되고, 계속 상승하여 상부 방열판(3)과 만나게 되면, 상부 방열판(3)의 벽면을 따라 중앙부에 대해서 바깥쪽으로 이동하게 된다.

이를 통해 상부 방열판(3)의 전체에 고르게 열을 전달할 수 있게 되고, 기화된 기체의 온도가 상부 방열판(3)보다 크기 때문에 기체는 상부 방열판(3)과 접촉하면서 열을 빼앗기게 되고 곧 액화되어 상부 방열판(3)의 내주면을 따라 이슬로 맺히게 된다. 이렇게 이슬로 맺힌 냉매(6)는 서로 뭉쳐지게 되고, 뭉쳐진 냉매(6)는 자중에 의해 아래로 떨어지게 되며, 떨어진 냉매(6)는 베이스 분리막(7)의 상부 경사면(10)과 충돌하고 그 경사면을 따라 이동하여 상기 베이스 분리막(7)의 일측에 복수개가 설치되어 있는 응축수 낙하공(9)을 통해 하부 방열판(4)으로 하강하게 된다.

그리고 이 때 열을 전달받은 상부 방열판(3) 및 하부 방열판(4)은 외주면을 따라 복수개의 방열핀(2)이 형성되어 있는데 이 방열핀(2)을 통해 공기와 접촉하면서 열을 다시 공기 중으로 발산하게 되고, 이를 통해 상기 상부 방열판(3)과 하부 방열판(4)의 온도를 낮추어 기화된 냉매(6)의 온도를 지속적으로 흡수하는 것이 가능하게 된다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예로서 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 베이스 분리막(7)의 상부에 복층 분리막(12)을 더 설치할 수도 있다. 이 때의 복층 분리막(12)은 베이스 분리막(7)과 비교하여 기화공(8)의 크기가 더 큰데, 이로 인해 베이스 분리막(7)의 하부에서 기화된 냉매(6)가 복층 분리막(12)의 하부 경사면(11)의 표면에서 액화되지 않고 상부 방열판(3)의 끝단까지 상승할 수 있도록 하고 있다. 그리고 복층 분리막(12)의 외주면으로는 방열핀(2)이 복수개 형성되어 있어서 LED 모듈(1)의 온도 상승이 증가할 경우 상기 복층 분리막(12)을 더 설치하여 방열핀(2)의 갯수를 증가시켜 방열 효과를 향상시킬 수 있다. 물론 상기 복층 분리막(12)은 밀폐된 내부 공간의 공기 대류를 저하 하지 않는 구조 내에서는 2개 이상 설치도 가능하다.

그리고 상부 방열판(3)과 하부 방열판(4)의 접촉면의 일정 부위와 복층 분리막(12)이 설치되어 있을 경우의 상부 방열판(3)과 복층 분리막(12)의 접촉면의 일정 부위 및 복층 분리막(12)과 베이스 분리막(7)의 접촉면의 일정 부위에는 오링(13)이 설치되어 있고, 상부 방열판(3)과 복층 분리막(12) 및 복층 분리막(12)과 하부 방열판(4)은 각각 볼트(14)와 너트(15)로서 체결되어 지는데, 이로 인해 내부의 공간부(5)가 완전히 밀폐 될 수 있도록 하여 기화된 냉매(6)가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

따라서 본 발명의 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등(100)은 냉매(6)가 내부에 봉입되는 히트 파이프를 제거함으로써, 방열판의 제조가 용이하고, 그 제조 원가가 낮으며, 기화되는 냉매(6)와 방열판이 직접 접촉함으로써 상기 방열판으로의 열전달의 효율을 극대화 할 수 있고, 기화되는 냉매(6)가 밀폐된 공간의 내부에서 순활할 수 있는 구조를 제공함으로써 하부 방열판(4) 뿐만 아니라 상부 방열판(3)의 끝단까지 열이 잘 전달될 수 있도록 하여 방열 효율을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

1 : LED 모듈 2 : 방열핀
3 : 상부 방열판 4 : 하부 방열판
5 : 공간부 6 : 냉매
7 : 베이스 분리막 8 : 기화공
9 : 응축수 낙하공 10 : 상부 경사면
11 : 하부 경사면 12 : 복층 분리막
13 : 오링 14 : 볼트
15 : 너트 100 : LED 등

Claims

LED 모듈(1)의 배면에 방열핀(2)이 형성된 방열판이 부착되어 열을 방열하는 고휘도(30~200W) LED 등에 있어서, 상기 방열판은 내측에 요입부가 형성되는 상부 방열판(3)과 하부 방열판(4)이 기밀되게 결합되어 내부에 밀폐된 공간부(5)가 형성되고, 상기 공간부(5)에는 냉매(6)가 봉입되며 상기 냉매(6)의 내부 순환을 유도하는 베이스 분리막(7)이 설치 됨을 특징으로 하는 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등.
제 1항에 있어서, 상기 베이스 분리막(6)은 중앙부에 기화공(7)이 뚫려 있고 외주면 근방에는 응축수 낙하공(8)이 복수개 형성되어 있으며, 끝단에서 중앙부로는 수평에 대하여 위로 경사를 형성하여 상부와 하부로 각각 상부 경사면(9)과 하부 경사면(10)을 가지고 있음을 특징으로 하는 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등.
제 1항 또는 2항에 있어서, 복층 분리막(11)이 베이스 분리막(6)의 상부로 복층 설치됨을 특징으로 하는 히트 파이프 기능을 가지는 복합방열기구를 적용한 고효율 엘이디등.