KR101340977B1 - 조명장치용 방열모듈 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조명장치에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하기 위한 조명장치용 방열모듈의 제조방법에 관한 것으로서 본 발명에서는, 원통형 내경부를 가지는 원통체(111)와 상기 원통체의 외주면에 다수의 방열핀(112)을 가지는 방열핀체(110)를 준비하는 단계; 중공 소재 파이프를 일정 길이로 절단하여 히트 파이프(120)를 형성하는 단계; 상기 히트 파이프의 내주면을 가공하여 상부 단턱(123)과 하부 단턱(124)을 단차지게 형성하되, 히트 파이프의 상단으로부터의 상부 단턱까지의 거리가 히트 파이프의 하단으로부터 하부 단턱까지의 거리보다 길게 형성하는 단계; 타공된 원판 형상의 하부 캡(132)을 상기 하부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계; 상기 히트 파이프의 상부로부터 히트 파이프의 내부로 메쉬망을 삽입하는 단계; 중공 소관의 형상을 가지는 주입니들이 관통 결합된 원판 형상의 상부 캡(131)을 상기 상부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계; 상기 주입니들을 통하여 상기 히트 파이프의 내부에 열매체를 진공 주입하는 단계; 진공주입 공정 완료 후 상기 주입니들을 열압착 기구로 납작하게 열가압한 후 일정한 길이를 남기고 커팅하는 단계; 상기 히트 파이프의 상단과 상기 상부 캡(131)의 상면 사이에 존재하는 공간에 수지를 충전하여 남겨진 주입니들이 외부로 노출되지 않도록 마감하는 단계; 상기 히트 파이프의 외주면에 써멀 구리스를 도포하는 단계; 및 써멀 구리스가 도포된 상기 히트 파이프를 상기 원통체의 내경부에 삽입하여 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열모듈 제조방법을 제안한다.

Description

조명장치용 방열모듈 제조방법{Manufacturing method of a cooling module for a lighting device}

본 발명은 조명장치용 방열모듈의 제조방법에 관한 것으로서, 엘이디 소자와 같은 고휘도 발열 소자를 광원으로 사용하는 조명장치의 발생열을 신속하고 효율적으로 냉각하기 위한 냉각장치에 관한 것이다.

엘이디(LED:Lighting Emitting Diode)는 반도체의 일종으로서 전압을 가하면 전기 에너지가 빛 에너지로 변화하여 발광하는 현상을 이용하는 발광소자의 일종이다.

엘이디 발광소자는 종래의 백열등이나 형광등에 비하여 전력 소비가 작고 수명이 상대적으로 길다는 점에서 최근 그 사용이 점점 확대되어 가고 있는 실정이다.

그런데 엘이디 발광소자(이하 간략히 '엘이디'라 한다)는 전압을 가하면 열 에너지와 빛 에너지가 동시에 방출되는 특성이 있어 이를 채용하는 조명장치의 구동시 엘이디 광원에서 발생하는 열로 인하여 빛 에너지가 감소되고 이에 따라 결국 엘이디의 휘도가 저하되는 문제가 있다. 또한 엘이디나 그에 부속되는 조명장치의 관련 부속품이 엘이디의 고열로 인하여 손상되기도 하며 조명장치의 수명이 단축되는 결과를 초래하기도 한다.

이러한 고휘도 엘이디 소자의 고 발열로 인한 냉각 문제를 해결하기 위하여 그동안 많고 다양한 시도가 있어 왔으며, 엘이디 소자를 광원으로 사용하는 조명장치의 냉각장치에 관하여 공개특허공보 제10-2008-0071812호 "히트파이프를 이용한 냉각장치를 구비한 LED조명 조립체", 등록특허 제10-1065169호 "이중관 구조의 히트 파이프를 이용한 조명장치", 등록특허 제10-0922433호 "히트파이프를 이용한 엘이디 조명장치의 방열구조", 공개특허 제10-2010-0029301호 "코일스프링형 윅, 히트 파이프 그리고 방열구조, 이 방열구조를 이용한 LED조명기구"와 같은 것들이 공지된 바 있다.

상기의 공지기술들 중에서 특히 공개특허 제10-2008-0071812호에서는 LED조명장치의 방열부 내경부 중앙부에 전선 통과공이 형성되는 히트 파이프를 매입한 후 상기 히트 파이프의 내부에 열매체를 진공 주입하는 기술에 관하여 개시하고 있다.

그런데 상기 공개특허의 경우 히트 파이프의 내부 구조가 복잡하고, 히트 파이프와 방열부 접촉면의 열전달시 갭이 존재할 우려가 있어 열전달 효율이 저하될 가능성이 있으며, 열매체의 진공 주입을 위한 보조관이 그대로 노출 및 잔존하여 평판 베이스 등을 하방에 부착하기가 용이하지 않는 문제가 존재한다.

또한 히트 파이프 내부에 윅을 형성하기 위하여 소결 분말 도포 및 경화 과정을 거치므로 그 제조 공정이 까다롭고 비용이 상승하는 문제가 있다.

따라서, 종래와 비교하여 구조가 간단하여 제조 공정이 단순하면서도 열접촉률이 높아 방열효율이 우수하며, 진공 주입 노즐의 마감 공정이 깔끔하여 부가 장치와의 결합성이 향상된 조명장치용 냉각장치의 개발이 요청되었다.

공개특허공보 제10-2008-0071812호 "히트파이프를 이용한 냉각장치를 구비한 LED조명 조립체"(2008.08.05) 등록특허 제10-1065169호 "이중관 구조의 히트 파이프를 이용한 조명장치"(2011.09.19) 등록특허 제10-0922433호 "히트파이프를 이용한 엘이디 조명장치의 방열구조"(2009.10.16) 공개특허 제10-2010-0029301호 "코일스프링형 윅, 히트 파이프 그리고 방열구조, 이 방열구조를 이용한 LED조명기구"(2010.03.17)

본 발명의 목적은 엘이디 소자로부터 발생하는 열을 신속하게 냉각시켜 제품 작동의 신뢰성을 유지할 수 있어 그 본래의 기능을 다하면서도 제조 공정이 단순하고 생산효율이 우수한 조명장치용 방열모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서는 특히 히트파이프의 내부 구조를 단순화하고, 기타 부품과의 조립성을 개선하며, 히트 파이프와 방열핀체 간의 접촉성 개선으로 인하여 열전도율을 향상시키며, 진공 주입 노즐의 관체가 외부로 노출되지 않도록 마감하여 외관이 수려하고 기타 부품과의 장착 편의성을 높인 조명장치용 방열모듈의 제조방법을 제공하고자 한다.

전술한 목적의 달성을 위하여 본 발명에서는, 원통형 내경부를 가지는 원통체(111)와 상기 원통체의 외주면에 다수의 방열핀(112)을 가지는 방열핀체(110)를 준비하는 단계; 중공 소재 파이프를 일정 길이로 절단하여 히트 파이프(120)를 형성하는 단계; 상기 히트 파이프의 내주면을 가공하여 상부 단턱(123)과 하부 단턱(123)을 단차지게 형성하되, 히트 파이프의 상단으로부터의 상부 단턱까지의 거리가 히트 파이프의 하단으로부터 하부 단턱까지의 거리보다 길게 형성하는 단계; 타공된 원판 형상의 하부 캡(132)을 상기 하부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계; 상기 히트 파이프의 상부로부터 히트 파이프의 내부로 메쉬망을 삽입하는 단계; 중공 소관의 형상을 가지는 주입니들이 관통 결합된 원판 형상의 상부 캡(131)을 상기 상부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계; 상기 주입니들을 통하여 상기 히트 파이프의 내부에 열매체를 진공 주입하는 단계; 진공주입 공정 완료 후 상기 주입니들을 열압착 기구로 납작하게 열가압한 후 일정한 길이를 남기고 커팅하는 단계; 상기 히트 파이프의 상단과 상기 상부 캡(131)의 상면 사이에 존재하는 공간에 수지를 충전하여 남겨진 주입니들이 외부로 노출되지 않도록 마감하는 단계; 상기 히트 파이프의 외주면에 써멀 구리스를 도포하는 단계; 및 써멀 구리스가 도포된 상기 히트 파이프를 상기 원통체의 내경부에 삽입하여 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열모듈 제조방법에 관하여 개시한다.

여기서, 상기 하부 캡과 상기 히트 파이프의 하단부가 만나는 결합선 및 상기 상부 캡과 상기 히트 파이프의 내주면이 만나는 결합선을 따라 원주방향으로 브레이징 용접이 수행되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 히트 파이프의 상·하 단부는 각각 상기 원통체의 상·하 단부에 브레이징 용접에 의하여 고정 부착되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 히트 파이프를 내장한 방열모듈의 제작이 간단할 뿐 아니라 엘이디 소자로부터 발생하는 열을 신속하게 냉각하여 조명장치의 파손을 방지할 수 있게 된다.

특히 본 발명에서는 히트파이프와 방열핀체의 제작 및 조립과정이 단순하고, 열매체의 진공 주입 후 주입니들의 봉입 및 마감처리가 확실하고 신뢰성 있게 수행되므로 열매체의 누설의 우려가 없고 돌출된 주입니들로 인한 부가 장치 간의 간섭의 우려가 없는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 방열모듈 제조공정의 순서를 나타낸 공정도.
도2는 본 발명에 따른 조명장치용 방열모듈의 외관 사시 조립도.
도3은 본 발명의 히트파이프의 외관 사시도 및 종단면도.
도4는 본 발명의 상·하부 캡의 외관 사시도.
도5는 본 발명의 주입니들이 결합된 상부캡의 외관 사시도.
도6은 본 발명의 상·하부 캡이 결합한 히트파이프의 종단면도.
도7은 본 발명에 따라 밀봉 및 절단 마감된 주입니들부의 확대 사시도.
도8은 본 발명에 따라 제조된 방열모듈의 종단면도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 관하여 상술한다.

도1은 본 발명의 방열모듈 제조공정의 순서를 나타낸 공정도이고, 도2는 본 발명에 따른 조명장치용 방열모듈의 외관 사시 조립도이다.

본 발명에 따라 제조되는 방열모듈(100)은 크게 중공 원통체(111)와 상기 중공 원통체의 외주면에 다수 형성되는 방열핀(112)을 가지는 방열핀체(110)와 상기 중공 원통체(111)의 내경부에 밀착하여 삽입 설치되는 히트 파이프(120)로 이루어진다.

상기 방열핀체(110)의 상·하면에는 각각 걸고리 브라켓(220)과 베이스판(210)이 볼트나 나사로 체결되어 결합한다. 상기 베이스판(210)은 방열핀체(110)와 히트 파이프(120)의 하부 캡(132)의 저면에 판면이 접촉하도록 결합하는 것으로서 베이스판(210)의 저면에는 다수의 엘이디 소자들이 장착된 PCB기판이 부착된다.

상기 걸고리 브라켓(220)은 방열핀체(110)의 상면에 볼트나 나사로 고정 부착되어 조명장치를 이동할 때 손잡이 역할을 하거나 천정이나 벽체 등에 고정 설치하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 방열모듈(100)은 다단계의 가공 및 조립 공정을 거쳐 제작되는데 구체적인 제조공정을 설명하면 다음과 같다.

우선 도시한 바와 같은 내부에 중공부를 가지는 원통체(111)와 방열핀(112)으로 이루어진 방열핀체(110)를 알루미늄 압출 성형, 다이캐스팅 등을 통하여 형성한다(ST1).

상기 방열핀체(110)의 재질은 경량이며 열전도성이 우수한 알루미늄 금속으로 하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정할 필요는 없을 것이다.

도3은 본 발명의 히트파이프의 외관 사시도 및 종단면도이다. 본 발명에 사용되는 히트 파이프(120)는 길이가 긴 소재 파이프를 일정한 길이로 절단 커팅하여 형성하는 것으로서 동관이나 스텐레스 소재관을 필요한 길이로 절단하여 사용한다(ST2). 도면에서 미설명 부호 121은 히트 파이프(120)의 외주면을 나타내고, 122는 히트 파이프(120)의 내주면을 나타낸다.

이렇게 커팅 절단된 히트 파이프(120)의 경우 상·하단이 개방되는 중공 원통 형상을 가지며, 후술할 상부 캡(131)과 하부 캡(132)에 의하여 봉인된다.

상기 절단된 히트 파이프(120)의 내주면 상하 단부 근처에는 상부 단턱(123)과 하부 단턱(124)이 단차지게 형성된다(ST3).

상기 상부 단턱(123)에는 상부 캡(131)이 안착되어 결합하고, 상기 하부 단턱(124)에는 하부 캡(132)이 안착되어 결합하게 된다. 이에 관하여 자세한 사항은후술한다.

여기서, 상기 상부 단턱(123)과 하부 단턱(124)의 형성 위치 내지 깊이는 서로 다르게 한다. 즉, 도3을 기준으로 히트 파이프(120)의 상단면으로부터 상기 상부 단턱(123)까지의 거리(h1)가 상기 히트 파이프(120)의 하단면으로부터 상기 하부 단턱(124)까지의 거리(h2)보다 길게 형성하는 것이다.

이렇게 하는 이유는 후술할 에폭시계 수지 충전 마감작업과 관련이 있으며 이에 관하여 자세한 사항은 후술한다.

도4는 본 발명의 상·하부 캡의 외관 사시도인데, 도4의 (a)는 하부 캡(132)을 나타낸 것이고, 도4의 (b)는 상부 캡(131)을 나타낸 것이다. 도5는 본 발명의 주입니들이 결합된 상부캡의 외관 사시도이다.

상부 캡(131)과 하부 캡(132)은 판상의 금속판을 원형으로 타공하여 형성한다(ST4). 상기 하부 캡(132)은 판면이 모두 막혀 있으나, 상기 상부 캡(131)은 판면의 일정한 위치에 원형의 핀홀(131a)이 관통 형성된다(ST5)

상기 핀홀(131a)의 내경부에는 원통형 소관 형상을 가지는 주입니들(135)이 삽입하여 결합하고, 상기 주입니들(135)과 핀홀(131a)의 결합선을 따라 원주방향으로 브레이징 용접 또는 아크 용접 등을 수행한다(ST6). 도면에서 미설명 부호 135a는 용접에 따른 비드선을 나타낸다.

도6은 본 발명의 상·하부 캡이 결합한 히트파이프의 종단면도이다. 먼저 전술한 원판 형상의 하부 캡(132)을 도시한 바와 같이 히트 파이프(120)의 하부 단턱(124)에 결합한 후 히트 파이프(120)의 하단과 하부 캡(132)의 원주단이 만나는 선을 따라 원주방향으로 브레이징 용접 등을 수행하여 공고하게 접합한다(ST7). 도면에서 미설명 부호 140b는 용접 비드선을 나타낸다.

상기 하부 캡(132)의 부착 공정 전에 히트 파이프(120)의 내주면을 세척 및 세정하는 공정을 선 수행하는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 히트 파이프(120)의 내부 공간에 메쉬망(145)을 원형으로 말어 넣어 메쉬망(145)이 탄성에 의하여 필쳐지면서 상기 히트 파이프(120)의 내주면(122)에 밀착하도록 한다(ST8).

상기 메쉬망(145)은 후술할 아세톤과 같은 열매체의 모세관력을 극대화하여 방열 성능을 향상시키기 위한 것으로서 일종의 윅(wick)으로서의 역할을 수행한다.

메쉬망(145)의 삽입 후에 주입니들(135)이 부착된 상부 캡(131)을 히트 파이프(120)의 상부 단턱(123)에 안착한 후 결합선 이음매를 봉입 처리한다. 즉, 상기 히트 파이프(120)의 내주면(122)과 상기 상부 캡(131)의 원주단이 만나는 결합선을 따라 원주방향으로 브레이징 용접 등을 수행하여 상부 캡(131)을 상부 단턱(123)에 공고하게 결합하는 것이다. 도면에서 미설명 부호 140a는 용접 비드선을 나타낸다.

다음으로 열매체를 상기 주입니들(135)을 통하여 히트 파이프(120)의 내부로 일정량 진공 주입한다(ST10).

열매체의 진공 주입은 출원인의 등록특허 제10-0989518에서 개시한 방법과 마찬가지의 방식과 장치를 사용하여 수행할 수 있다.

여기서 히트 파이프(120)의 내부에 주입되는 열매체로는 암모니아, 프레온, 메탄올, 물 및 아세톤과 같은 공지의 물질을 선택하여 사용할 수 있다.

열매체의 진공 주입 공정이 완료하면 상기 주입니들(135)을 봉입 처리하는 공정이 수행된다(ST11).

도7은 본 발명에 따라 밀봉 및 절단 마감된 주입니들부의 확대 사시도이다. 주입니들(135)은 도7의 (a)에 도시한 바와 같이 직경이 작은 중공 소관의 형상을 가지는데 본 발명에서는 진공 주입이 완료한 상기 주입니들(135)을 내부에 열선을 내장하여 고온을 유지하는 압착기의 사이에 위치시키고 압착기로 열가압하여 주입니들(135) 내부의 유로를 폐쇄하여 봉입처리한다. 이때 주입니들(135)의 내주면이 부분 용융하면서 서로 접합되어 열매체가 누설되는 것을 원천적으로 차단하게 되는 것이다.

열가압 압착된 상기 주입니들(135)은 도7의 (b)에 도시한 바와 같이 납작한 형상을 이루는데 일정한 길이만을 남기고 절단하여 커팅한다. 이때 상기 주입니들(135)의 절단면이 상부 캡(131)의 상면에 근접하도록 짧은 길이로 절단하는 경우 열매체가 누설할 우려가 있으므로 절단면이 상부 캡(131)에서 일정한 높이에 위치하도록 일정 길이를 남기고 절단하는 것이 바람직하다.

즉, 상기 주입니들(135)을 열압착하는 공정에서 지나치게 하단부를 압착하는 경우 핀홀(131a)과 주입니들(135)의 외주면 사이에 틈새가 벌어지게 되어 이 틈새를 통하여 열매체가 누설될 우려가 있다. 따라서 주입니들(135)을 커팅하는 과정에서 절단면이 상부 캡(131)과 동일 높이가 되도록 하는 것이 아니고 일정한 길이를 남기고 절단하게 되는 것이다.

이렇게 일정 길이를 남기고 절단되어 상부 캡(131)의 상면으로 돌출되는 주입니들(135)을 그대로 두는 경우 방열모듈(100)에 부착되는 다른 부품과의 간섭이나 접촉 등에 의하여 주입니들(135)부가 파손될 우려가 있으며 후에 걸고리 브라켓(220) 등을 장착하는데 장애가 될 수 있다.

따라서 본 발명에서는 상기 잔존하여 노출되는 주입니들(135)을 에폭시계 수지 등으로 충전하여 외부로 노출되지 않도록 마감처리한다(ST12). 도면에서 미설명 부호 141은 충전 수지를 나타내며, 충전 수지(141)로는 에폭시 계열의 합성수지 외에도 다른 합성 수지로 대체가 가능하다.

상기 충전 수지(141)는 주입니들(135)을 통한 열매체의 누출 방지 외에도 상부 캡(131)과 히트 파이프(120)의 내주면(122) 간의 틈새로 열매체가 누출될 위험도 아울러 예방할 수 있다.

도8은 본 발명에 따라 제조된 방열모듈의 종단면도이다. 전술한 수지 충전 과정이 종료하면 다음으로 히트 파이프(120)의 외주면에 써멀 구리스(thermal grease)를 도포한다(ST13).

상기 써멀 구리스(150)는 히트 파이프(120)를 상기 원통체(111)의 내경부에 삽입하여 장착하는 경우 히트 파이프(120)의 외주면(121)과 원통체(111)의 내주면과의 이격 공간이나 틈새를 제거함으로써 열전도 효율을 증대시키기 위한 것이다.

마지막으로 써멀 구리스(150)가 도포된 히트 파이프(120)를 원통체(111)의 내경부에 삽입하여 장착하면 방열모듈의 제조공정이 완료하게 된다.

상기 히트 파이프(120)를 상기 원통체(111)의 내경부에 삽입한 후 히트 파이프(120)의 상·하 단부와 상기 원통체(111)가 만나는 결합선을 따라 원주방향으로 브레이징 등의 용접을 수행함으로써 히트 파이프(120)가 원통체(111)에 공고하게 결합하도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 엘이디 조명장치의 냉각을 위한 방열모듈의 제조방법에 관한 것으로서 종래에 비하여 단순하고 신속하며 효율적으로 방열모듈을 제조함으로써 신뢰성 높고 경제적인 냉각장치를 제공하기 위한 것이다. 따라서 본 발명을 엘이디 조명장치용 냉각장치의 제조를 위하여 적극 활용할 필요가 있을 것이다.

100: 방열모듈 110: 방열핀체
111: 원통체 112: 방열핀
120: 히트 파이프 123: 상부 단턱
124: 하부 단턱 131: 상부 캡
132: 하부 캡 131a: 핀홀
135: 주입니들 141: 충전 수지
145: 메쉬망 150: 써멀 구리스

Claims (3)

1. 원통형 내경부를 가지는 원통체(111)와 상기 원통체의 외주면에 다수의 방열핀(112)을 가지는 방열핀체(110)를 준비하는 단계;
   중공 소재 파이프를 일정 길이로 절단하여 히트 파이프(120)를 형성하는 단계;
   상기 히트 파이프의 내주면을 가공하여 상부 단턱(123)과 하부 단턱(124)을 단차지게 형성하되, 히트 파이프의 상단으로부터의 상부 단턱까지의 거리가 히트 파이프의 하단으로부터 하부 단턱까지의 거리보다 길게 형성하는 단계;
   타공된 원판 형상의 하부 캡(132)을 상기 하부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계;
   상기 히트 파이프의 상부로부터 히트 파이프의 내부로 메쉬망을 삽입하는 단계;
   중공 소관의 형상을 가지는 주입니들이 관통 결합된 원판 형상의 상부 캡(131)을 상기 상부 단턱에 밀착시켜 결합하는 단계;
   상기 주입니들을 통하여 상기 히트 파이프의 내부에 열매체를 진공 주입하는 단계;
   진공주입 공정 완료 후 상기 주입니들을 열압착 기구로 납작하게 열가압한 후 일정한 길이를 남기고 커팅하는 단계;
   상기 히트 파이프의 상단과 상기 상부 캡(131)의 상면 사이에 존재하는 공간에 수지를 충전하여 남겨진 주입니들이 외부로 노출되지 않도록 마감하는 단계;
   상기 히트 파이프의 외주면에 써멀 구리스를 도포하는 단계; 및
   써멀 구리스가 도포된 상기 히트 파이프를 상기 원통체의 내경부에 삽입하여 장착하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열모듈 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 캡과 상기 히트 파이프의 하단부가 만나는 결합선 및 상기 상부 캡과 상기 히트 파이프의 내주면이 만나는 결합선을 따라 원주방향으로 브레이징 용접이 수행되는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열모듈 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 히트 파이프의 상·하 단부는 각각 상기 원통체의 상·하 단부에 브레이징 용접에 의하여 고정 부착되는 것을 특징으로 하는 조명장치용 방열모듈 제조방법.
   

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