KR101237283B1

KR101237283B1 - 수냉식 엘이디 조명장치

Info

Publication number: KR101237283B1
Application number: KR1020110118371A
Authority: KR
Inventors: 박일권
Original assignee: 박일권
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-02-27

Abstract

본 발명은 수냉식 냉각수단을 구비한 엘이디를 이용한 조명장치에 관한 것이다. 그 구성은; 상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장된 기판(1); 기판(1)을 지지하는 동시에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 기판케이싱(7)과, 엘이디소자(3)에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 전구본체(5); 상기 기판케이싱(7)에 수용된 열매체를 순환시킴으로써 상기 기판(1)과 상기 열매체 간에 열교환이 일어나도록 하는 열매체순환부; 및 상기 전구본체(5) 및 열매체순환부를 천정 또는 벽에 매달거나 바닥에 설치하기 위한 지지체(43)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수냉식 엘이디 조명장치{Light Apparatus Using LED}

본 발명은 엘이디를 이용한 조명기구에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액상 열매체를 순환시켜 열교환시킴으로써 방열을 하는 수냉식 엘이디 조명장치에 관한 것이다.

수명을 포함한 탁월한 경제성 때문에 근래 엘이디(LED)소자를 이용한 조명이 큰 각광을 받고 있다. 엘이디 소자는 각종 장비의 표시기능을 위해서는 오래전부터 사용되어 왔지만, 어둠을 밝히기 위한 조명수단으로 사용된 것은 그렇게 오래되지 않았다. 이것은 엘이디소자에서 발생되는 열때문이기도 하다. 소정의 광도를 내기 위해서는 그에 상응하는 열이 발생되며, 엘이디 소자가 견딜 수 있는 온도는 70~ 80℃ 정도로서 그리 높지 않기 때문이다.

현재 제공되고 있는 엘이디 전구는 모두 나름대로의 방열수단을 구비하고 있다. 현재 널리 사용되는 방열방법으로는 방열핀을 이용하여 대기와의 열교환면적을 늘리는 방법, 탄소입자를 포함하고 있는 방열도료로 코팅하는 방법, 알루미늄과 같은 열전달률이 높은 재질을 사용하는 방법 등이 있다.

기존의 방열방법은 예를 들어 150 ~ 50W 급의 소형전구에는 적당하였지만, 예를 들어 400W급의 대용량 엘이디 전구에는 적당치 못하였다. 이런 대용량의 전구가 가로등, 공장, 운동장, 서치라이트 등 다양하게 사용되고 있으므로 엘이디 전구로의 대체효과는 지대할 것이다.

1. 대한민국 특허등록 제10-1152299호(공고일 2012년06월11일) 2. 대한민국 특허등록 제10-0886742호(공고일 2009년03월04일) 3. 대한민국 실용신안등록 제20-0444607호(공고일 2009년05월25일)

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 적합한 방열수단을 가지는 대용량 엘이디 조명장치를 제공하는 것에 있다. 보다 구체적으로는 방열효과를 극대화하기 위해 수냉식(또는 유냉식) 냉각수단을 채용하고 이와 관련된 보다 효과적인 구성을 제안하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 목적은, 상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장된 기판; 기판을 지지하는 동시에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 수용공간을 형성하는 기판케이싱과, 엘이디소자에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 전구본체; 상기 기판케이싱에 수용된 열매체를 순환시킴으로써 상기 기판과 열매체 간에 열교환이 일어나도록 하는 열매체순환부; 및 상기 전구본체 및 열매체순환부를 천정 또는 벽에 매달거나 바닥에 설치하기 위한 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면 상기 열매체순환부는;

상기 열매체의 관로가 되는 것으로서, 양단은 상기 기판케이싱 내부의 수용공간에 연결되며 중간 부분은 상기 기판케이싱으로부터 이격된 위치까지 연장되는 순환튜브; 상기 열매체를 강제순환시키는 동력을 제공하기 위해 상기 순환튜브 상에 설치되는 순환펌프를 포함하되;

상기 순환펌프는 상기 전구본체로부터 이격된 위치에 설치되는 펌프케이싱 내부에 설치되며; 상기 순환튜브는 상기 펌프케이싱 내부를 통과하도록 연장될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 수용공간으로 유입된 열매체로 하여금 일방향으로 유도되어 흐르면서 상기 기판케이싱으로 유출될 수 있도록 하는 열매체가이드수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 엘이디 조명장치는 상기 기판의 온도에 따라 순환펌프의 회전수가 가변될 수 있도록; 온도센서 및 측정된 온도에 따라 상기 순환펌프를 제어하기 위한 제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 열매체는 비전도성 액체이며, 상기 기판은 상기 기판케이싱의 수용공간 내에 설치됨으로써; 상기 기판과 열매체는 직접적으로 접촉되면서 열교환하도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 열매체는 플로오르화케톤(CF₃CF₂(O)CF(CF₃)₂, Perflouroketone)일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 상기 전원공급부는 외부에서 연장되어 오는 전원공급선의 말단에 설치되는 것으로서 내주면에 나사산이 형성되는 원통형 소켓; 상기 소켓에 나사결합함으로써 전기적 접속이 이루어지도록 하는 봉형상의 플러그; 일단은 상기 플러그에 연결되고 타단은 상기 기판케이싱을 관통하여 상기 기판에 연결되는 통전선을 포함함으로써 상기 전구본체를 상기 지지체 및 열매체순환부로부터 분리할 수 있다.

위와 같은 구성에 의하면, 액상의 열매체를 이용한 수냉식을 채용함으로써 엘이디 전구의 방열성능을 극히 향상시킬 수 있다. 특히 비전도성 열매체를 기판에 직접 접촉하도록 함으로써 냉각효율의 극대화를 도모할 수 있다. 또한 엘이디 전구본체의 수명이 다한 경우 이것만을 신품으로 교환할 수 있게 함으로써 유지관리비용을 절감토록 할 수 있다. 결론적으로 높은 냉각효율을 달성함으로써 대용량 엘이디 전구의 대중화에 기여할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 조명장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 조명장치의 전구본체의 개략적 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 조명장치의 단면구성도이며, 도 4는 전구본체의 주요부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 전구본체의 저부 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 기판케이싱의 저부 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 2를 기본적으로 참고하되 필요한 경우 도 3 이하의 도면을 인용하기로 한다.

기판(1)의 상면에는 다수의 엘이디(LED)소자(3)가 실장되어 있으며, 이러한 구조를 통상 COB(Chip On Board)라 한다. 기판(1)의 개수 내지 하나의 기판(1)에 실장되는 엘이디소자(3)의 개수는 조명의 정격용량에 따라 결정될 것이며 다양하게 제공될 것이다.

전구본체(5)는 기판(1)을 지지하는 동시에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 기판케이싱(7)과, 엘이디소자(3)에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함한다. 납작한 원통형상의 기판케이싱(7)은 전구본체(5)의 주요 구성요소로서 방열판(9)과 커버판(11)을 포함할 수 있다. 커버판(11)은 패킹을 매개로 방열판(9)에 조립 고정된다. 방열판(9)은 액상의 열매체가 담길 수 있는 수용공간(S)을 형성하기 위해 원통체로 되어 있다. 방열판(9)의 뒷면에는 냉각효과를 향상시키기 위하여 다수의 방열핀(13)이 돌출 형성될 수 있다.

본 발명의 전구본체(5)는 열이 발생되는 곳으로서 고온부가 되는 기판케이싱(7)으로부터 다른 부품으로 열전달되는 것을 최대한 억제하기 위한 구조로 되어 있다. 도시된 바와 같이, 기판케이싱(7)의 표면적 대부분이 대기와 접하도록 되어 있다. 기판케이싱(7)의 방열판(13)의 중심에는 파이프 형태의 포스트(15)가 수직으로 설치된다. 포스트(15)의 상단에는 봉형상의 플러그(17)가 설치되고 있다. 후술되겠지만 플러그(17)는 기판(1)에 전원을 공급하는 전원공급부에 해당한다. 포스트(15)의 상단에는 플러그(17)를 설치하기 위한 플러그설치대(19)가 마련된다.

플러그설치대(19)와 기판케이싱(7)의 가장자리에는 기판케이싱(7)의 원주방향을 따라 복수개의 지지대(21)가 설치되어 있다. 지지대(21)는 방사형으로 설치되며 알루미늄으로 된 선재 또는 봉재를 에스(S)자와 같이 휘어 놓은 형태를 가진다. 이는 미관을 위한 것으로서 도시된 것 이외의 다양한 형태 변형이 있을 수 있다.

열매체순환부는 기판케이싱(7)의 내부에 수용된 열매체를 순환시킴으로써 기판케이싱(7)과 열매체 간에 열교환이 일어나도록 하는 장치이다. 열매체순환부는 열매체가 관류하게 되는 순환튜브(23)와 강제순환을 위한 순환펌프(25)를 포함한다. 순환튜브(23)는 일단이 기판케이싱(7)의 액유입구(27)에 연결되고, 전구본체(5)와 이격되어 있음으로써 전구본체(5)에 대하여 상대적으로 저온 상태에 있는 저온부, 즉 펌프케이싱(29)에 머문 다음 타단이 액유출구(31)에 연결된다.

순환튜브(23)의 중간에는 순환펌프(25)가 설치됨으로써 열매체를 강제순환시키고 있다. 순환펌프(25)는 전구본체(5)의 상부에 이격 설치되는 펌프케이싱(29) 내부에 설치된다. 순환펌프(25)는 펌프케이싱(29) 내에서 충분히 열을 방출할 수 있도록 길게 형성될 수 있다. 그리고 냉각팬(33)이 펌프케이싱(29)을 통과하는 순환튜브(23)에 강제로 공기를 공급함으로써 냉각효율을 더욱 높일 수도 있다.

여기서 순환펌프(25)는 기판(1)의 온도에 따라 회전수가 가변되도록 할 수 있다. 이를 위해 펌프케이싱(29) 내부에서 순환튜브(23)의 온도를 측정하여 순환펌프를 제어할 수 있도록 온도센서와 제어부(미도시됨)가 구비될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 의하면, 순환튜브(23)의 양단을 필요에 따라 기판케이싱(7)에 접속하거나 분리할 수 있도록 하고 있다. 이것은 수명이 다한 전구본체(5)를 교환할 때 매우 유용할 것이다. 순환튜브(23)의 양단은 커넥터 내지 셧업밸브(35, Shut Off Valve)를 통해 기판케이싱(7)에 접속될 수 있다. 순환튜브(23)를 분리하였을 때 열매체가 그의 단부를 통해 새어나가는 것을 방지하기 위함이다.

그리고 순환튜브(23)에 열매체를 충전하기 위한 열매체저장소(24)가 더 마련될 수도 있다. 열매체저장소(24)에는 열매체 주입구가 마련되어야 할 것이다.

기판케이싱(7)의 배면과 포스트(15)의 경계부위는 기판케이싱(7)과 포스트(15)의 결합을 돕기 위한 플랜지 형태의 튜브접속대(37)가 마련된다. 전술한 액유입구(27)와 액유출구(31)는 튜브접속대(37)에 마련됨으로써 기판케이싱(7)의 수용공간(S)으로 열매체를 유입시킬 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 열매체는 비전도성 액체가 사용되는 것이 바람직하다. 나아가 열매체는 플로오르화케톤(CF₃CF₂(O)CF(CF₃)₂, Perflouroketone)일 수 있다. 열매체는 겨울에 외부에 설치되어도 얼지 않도록 어는점이 낮은 것이 바람직하며, 끓는점 또한 적어도 80℃ 이상은 되는 것이 바람직하다.

전원공급부는 외부의 전원을 기판(1)까지 공급하기 위한 수단이다. 전원공급부는 소켓(39), 플러그(17) 및 통전선(41)을 포함할 수 있다. 소켓(39)은 일반 가정에서 널리 사용되는 백열전구의 소켓과 같은 형태로서 원통형이며 외부에서 연장되어 오는 전원공급선의 말단에 설치된다. 소켓(39)의 내주면에는 암나사가 마련된다. 플러그(17)는 소켓(39)에 나사결합함으로써 전기적 접속이 이루어지도록 봉형상으로 되어 있고 외주면에 수나사가 마련된다. 통전선(41)은 일단이 플러그(17)에 연결되고 타단이 전구본체(5)를 관통하여 기판(1)에 연결된다. 소켓(39)과 플러그(17)에 의해 전구본체(5)를 지지체(43)로부터 손쉽게 분리할 수 있게 되는 것이다.

지지체(43)는 전구본체(5) 및 열매체순환부를 천정 또는 벽에 매달거나 바닥에 설치하기 위한 것이다. 도시된 바에 의하면 지지체(43)는 브래킷(45)과 봉체(47)를 포함함으로써 조명장치를 천정에 매달 수 있도록 하고 있다. 또한 공지의 전등갓(49)이 전구본체(5)를 감싸도록 설치될 수 있다.

이하, 도 3과 도 4를 참조하여 기판케이싱의 구조와 열매체의 순환방식을 설명한다.

기판케이싱(7)이 열매체의 수용공간(S)을 형성한다. 기판(1)의 전면, 즉 빛이 발생되는 면에는 유리 또는 합성수지 재질의 투명판(51)이 설치된다. 수밀유지가 필요한 경계마다 수밀을 위한 패킹(52)을 개입시킨 상태에서 투명판(51), 커버판(11) 및 방열판(13)을 순차로 얹은 다음 결합볼트(53)를 체결함으로써 밀폐된 기판케이싱(7) 내부에는 열매체가 수용되는 완성된 수용공간(S)이 마련된다. 투명판(51)의 파손을 방지하기 위해 투명판(51) 표면의 가장자리에는 링부재(55)가 개입될 수 있다.

열매체는 액유입구(27)를 통해 수용공간(S)에 유입된 다음 그 내부를 고르게 순환한 후 액유출구(31)를 통해 배출되는 것이 바람직하다. 이를 위해 열매체의 순환경로를 가이드하기 위한 열매체가이드수단이 더 포함될 수 있다. 열매체가이드수단의 형태에 의해 다양한 방식의 순환경로를 형성할 수 있겠다. 예를 들어 열매체는 소용돌이식 또는 지그재그식으로 기판케이싱(7)의 수용공간(S)을 순환하도록 할 수 있을 것이다. 도 6을 참조하여 보면 방열판(9)의 전면에 지그재그식의 가이드홈(57)이 형성되어 있음을 볼 수 있다.

기판케이싱(7) 내부에 열매체가 순환하는 예시적 경로가 화살표로 표현되었다. 유입된 열매체는 일부가 커버판(11)의 저면으로 통과하여 기판(1)의 전면부를 통과하게 되고, 나머지는 방열판(9)과 커버판(11) 사이를 지나 액유출구(31)로 빠져나가게끔 하고 있다. 미설명된 도면부호 59은 빛의 방향성을 조성하기 위해 마련된 확산판이다.

본 실시예에 의하면 수용공간(S) 내에 설치된 기판(1)이 열매체에 완전히 잠기도록 되어 있다. 열매체가 비전도성이므로 쇼트의 문제는 없을 것이다. 이에 의하면, 기판(및 엘이디소자)과 열매체가 직접적으로 접촉됨으로써 보다 효과적으로 열교환이 이루어질 수 있다.

이상에서 설명된 것들은 본 발명의 기술적 사상에 의거한 바람직한 예시에 불과하다. 당업자는 청구범위를 통해 표현되는 본 발명의 기술적 사상의 범위를 넘지 않는 선에서 예시된 바를 활용하여 다양한 변형실시를 할 수 있겠다. 특히 본 발명에서 냉각방식을 '수냉식(水冷式)'이라 표현하였지만, 본 발명의 권리범위를 물을 열매체로 사용되는 경우로 한정 해석해서는 아니 된다.

1 : 기판 3 : 엘이디(LED)소자
5 : 전구본체 7 : 기판케이싱
9 : 방열판 11 : 커버판
13 : 방열핀 15 : 포스트
17 : 플러그(plug) 19 : 플러그설치대
21 : 지지대 23 : 순환튜브
24 : 열매체저장소 25 : 순환펌프
27 : 액유입구 29 : 펌프케이싱
31 : 액유출구 33 : 냉각팬
35 : 셧업밸브 37 : 튜브접속대
39 : 소켓 41 : 통전선
43 : 지지체 45 : 브래킷
47 : 봉체 49 : 전등갓
51 : 투명판 55 : 링부재
57 : 가이드홈 59 : 확산판
S : 수용공간

Claims

상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장된 기판(1); 기판(1)을 지지하는 동시에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 기판케이싱(7)과, 엘이디소자(3)에 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 전구본체(5); 상기 기판케이싱(7)에 수용된 열매체를 순환시킴으로써 상기 기판(1)과 상기 열매체 간에 열교환이 일어나도록 하는 열매체순환부; 및 상기 전구본체(5) 및 열매체순환부를 천정 또는 벽에 매달거나 바닥에 설치하기 위한 지지체(43)를 포함하되;
상기 전원공급부는 외부에서 연장되어 오는 전원공급선의 말단에 설치되는 것으로서 내주면에 나사산이 형성되는 원통형 소켓(39); 상기 소켓(39)에 나사결합함으로써 전기적 접속이 이루어지도록 하는 봉형상의 플러그(17); 일단은 상기 플러그(17)에 연결되고 타단은 상기 기판케이싱(7)을 관통하여 상기 기판(1)에 연결되는 통전선(41)을 포함함으로써;
상기 전구본체(5)를 상기 지지체(43) 및 열매체순환부로부터 분리할 수 있는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치.
제1항에 있어서 상기 열매체순환부는;
상기 열매체의 관로가 되는 것으로서, 양단은 상기 기판케이싱(7) 내부의 수용공간(S)에 연결되며 중간 부분은 상기 기판케이싱(7)으로부터 이격된 위치까지 연장된 순환튜브(23); 상기 열매체를 강제순환시키는 동력을 제공하기 위해 상기 순환튜브(23) 상에 설치되는 순환펌프(25)를 포함하되;
상기 순환펌프(25)는 상기 전구본체(5)로부터 이격된 위치에 설치되는 펌프케이싱(29) 내부에 설치되며; 상기 순환튜브(23)는 상기 펌프케이싱(29) 내부를 통과하는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치.
제1항에 있어서, 상기 열매체는 비전도성 액체이며, 상기 기판(1)은 상기 기판케이싱(7)의 수용공간(S) 내에 설치됨으로써; 상기 기판(1)과 열매체가 직접적으로 접촉되면서 열교환을 하게 되는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치.
제1항에 있어서; 상기 열매체는 플로오르화케톤(CF₃CF₂(O)CF(CF₃)₂, Perflouroketone)을 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치.
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제1항에 있어서, 상기 열매체순환부는;
상기 열매체의 관로가 되는 것으로서, 양단은 상기 기판케이싱(7) 내부의 수용공간(S)에 연결되며 중간 부분은 상기 기판케이싱(7)으로부터 이격된 위치까지 연장된 순환튜브(23); 상기 열매체를 강제순환시키는 동력을 제공하기 위해 상기 순환튜브(23) 상에 설치되는 순환펌프(25);
상기 수용공간(S)으로 유입된 열매체로 하여금 일방향으로 유도되어 흐르면서 상기 기판케이싱(7)으로 유출될 수 있도록 하는 열매체가이드수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 엘이디 조명장치.