KR101406836B1

KR101406836B1 - 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등

Info

Publication number: KR101406836B1
Application number: KR1020130126735A
Authority: KR
Inventors: 박일권
Original assignee: 박일권
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-06-13

Abstract

본 발명은 수냉식 냉각수단을 구비한 엘이디를 이용한 가로등에 관한 것이다. 그 구성은; 상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장되는 엘이디 기판(1); 상기 엘이디 기판(1)과 결합되는 것으로서, 상기 엘이디 기판(1)과의 사이에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 열교환챔버(13)가 마련되도록 하는 냉각케이스(3); 상기 냉각케이스(3)의 상기 열교환챔버(13) 내부로 액상의 열매체를 순환 공급시키기 위한 열매체 공급부(5); 상기 열교환챔버(13)를 통과하여 배출되는 열매체를 냉각시키기 위한 냉각팬(7); 상기 냉각케이스(3), 열매체 공급부(5) 및 냉각팬(7)을 수용하여 설치하기 위한 수용부와 가로등의 지주에 연결시키기 위한 지주연결부(29)를 가지는 케이싱(9);을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등{Street Lamp Using LED Having Water Cooling Means}

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

수명을 포함한 탁월한 경제성 때문에 근래 엘이디(LED)소자를 이용한 조명이 큰 각광을 받고 있다. 엘이디 소자를 이용하여 소정의 광도를 내기 위해서는 그에 상응하는 열이 발생되며, 엘이디 소자가 견딜 수 있는 온도는 70~ 80℃ 정도로서 그리 높지 않기 때문에 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 방열방식은 150 ~ 50W 급의 소형전구에는 적당하였지만, 400W급의 대용량 엘이디 전구에는 적당치 못하였다. 비록 공장용 엘이디 전구가 부분적으로 공급되고는 있지만 널리 보급되고 있지는 못한데, 이는 초기 설치비용에 대한 부담과 더불어 제품의 신뢰성에 문제가 있기 때문인 것으로 생각된다.

이런 대용량의 전구가 가로등, 공장, 운동장, 서치라이트 등 다양하게 사용되고 있으므로 엘이디 전구로의 대체효과는 지대할 것이다. 이하의 특허문헌1,2,3은 모두 공장등 또는 가로등으로의 이용을 예상하고 안출된 것이지만 방열에 대한 획기적이며 확실한 대안책을 제시하지는 못하고 있다.

대한민국 특허공개 제10-2011-0122257호 대한민국 특허공개 제10-2011-0120687호 대한민국 특허등록 제10-1000014호

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 방열효과가 획기적으로 개선된 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등을 제공하는 것에 있다. 본 발명의 구체적인 목적은 강제 냉각방식을 이용함으로써 엘이디 소자가 안정적으로 기동하게 하고 따라서 효율을 높이고 엘이디의 수명을 연장시키는 것에 있다.

위와 같은 목적은, 상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장되는 엘이디 기판; 상기 엘이디 기판과 결합되는 것으로서, 상기 엘이디 기판과의 사이에 액상의 열매체를 수용할 수 있는 열교환챔버가 마련되도록 하는 냉각케이스; 상기 냉각케이스의 열교환챔버 내부로 액상의 열매체를 순환 공급시키기 위한 열매체 공급부; 상기 열교환챔버를 통과하여 배출되는 열매체를 냉각시키기 위한 냉각팬;

상기 냉각케이스, 열매체 공급부 및 냉각팬을 수용하여 설치하기 위한 수용부와 가로등의 지주에 연결시키기 위한 지주연결부를 가지는 케이싱;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 열매체는 비전도성 액체로서, 플루오르화케톤(CF₃CF₂C(=O)CF(CF₃)₂)일 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 엘이디 기판과 냉각케이스의 개구부 사이의 틈은 격판에 의해 메워지게 되되; 상기 격판의 중간에는 상기 엘이디 기판이 끼워지는 기판홈이 마련되며 볼트끼움공이 기판홈 주변에 마련되고; 상기 격판의 가장자리는 냉각케이스의 가장자리에 케이스고정볼트에 의해 고정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 냉각케이스의 내부에는 열매체의 흐름을 가이드하기 위한 가이드가 돌출 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 엘이디 기판의 온도에 따라 상기 펌프의 회전수가 가변될 수 있도록 온도센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 브래킷에 의해 상기 케이싱에 고정 설치된 한 쌍의 지지봉; 상기 지지봉에 끼워질 수 있도록 상기 냉각케이스의 상부에 형성되는 한 쌍의 원통형 슬리브를 더 포함할 수 있다.

위와 같은 구성에 의하면, 액상의 열매체를 이용한 수냉식을 채용함으로써 엘이디 가로등의 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 안정적인 기능을 발휘하는 엘이디 가로등이 제공된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 가로등의 개략적 저부 사시도이며, 도 2는 그의 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 4는 도 1의 B-B선을 따라 취한 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 가로등의 평면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 수냉식 엘이디 가로등의 냉각케이스의 사시도이며, 도 7은 그의 분해 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다.

본 발명의 엘이디 가로등은 전구를 지면으로부터 높이 이격된 위치에 설치하기 위한 가로등 지주(미도시됨)의 상단에 결합된다. 엘이디 가로등은 엘이디 기판(1), 냉각케이스(3), 열매체 공급부(5), 냉각팬(7) 및 케이싱(9)을 포함한다.

엘이디 기판(1)에는 다수의 엘이디(LED, 11)소자가 실장된다. 이러한 구조를 통상 COB(Chip On Board)라 한다. 기판(1)의 개수 내지 하나의 기판(1)에 실장되는 엘이디소자(11)의 개수는 조명의 정격용량에 따라 결정될 것이며 다양하게 제공될 것이다. 엘이디 기판(1)은 냉각케이스(3)에 결합된다.

냉각케이스(3)는 열매체가 수용되는 열교환챔버(13)를 제공한다. 열교환챔버(13)는 일방향, 특히 도면상 저부가 개방되어 있으며 이 저부에 엘이디 기판(1)이 수밀을 유지하면서 장착됨으로써 밀폐구조를 갖게 된다. 그러므로 열교환챔버(13)에 채워지는 액상의 열매체(H)는 엘이디 기판(1)의 일면과 직접적으로 접촉하게 된다.

냉각케이스(3)에는 열교환챔버(13)로 열매체(H)가 출입하기 위한 유입구(15)와 유출구(17)가 마련된다. 냉각케이스(3)의 내부에는 열매체의 흐름을 가이드하기 위한 가이드(18)가 돌출 형성될 수 있다. 가이드(18)는 유입되는 열매체와 배출되는 열매체가 서로 섞이는 것을 방지한다. 가이드(18)와 같은 수단을 확장시킴으로써 열매체가 지그재그 형태로 흐르면서 열교환챔버(13)을 통과하도록 할 수도 있다.

열매체 공급부(5)는 냉각케이스(3)의 열교환챔버(13) 내부로 액상의 열매체를 순환 공급시킨다. 열매체 공급부(5)는 순환관(19)을 통해 열매체가 일방향으로 순환되도록 유압을 형성하기 위한 펌프(21)를 포함한다. 냉각팬(7)은 열교환챔버(13)를 통과하면서 승온된 열매체를 냉각시키기 위한 것이다. 냉각팬(7)을 지나는 순환관(19')은 열교환이 이루어지는 냉각부로서 열교환면적을 늘이기 위해 여러 차례 절곡된 형태가 될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 의하면 열매체(H)는 비전도성 액체로서, 플루오르화케톤(CF₃CF₂C(=O)CF(CF₃)₂)일 수 있다.

냉각케이스(3)의 일측에는 전기적 접속을 위한 단자부(23)가 설치된다. 엘이디 기판(1)은 이 단자부(23)를 통해 전력을 공급받게 되어 있다. 엘이디 기판(1)으로부터 연장되는 전선(25)은 냉각케이스(3)의 일측에 마련되는 단자공(27)을 통해 단자부(23)의 단자핀과 암수결합에 의해 전기적으로 접속된다.

냉각케이스(3)의 외측면에는 방열효과를 더욱 높이기 위해 냉각핀(27)이 형성될 수 있다. 냉각케이스(3)의 상면에 설치되는 열매체 유입구(15)와 유출구(17)는 커넥터 내지 셧업밸브(28, Shut Off Valve)를 매개로 하여 순환관(19)에 연결된다. 셧업밸브(28)는 퀵밸브라고 불리기도 하는 공지의 배관 연결수단이다.

이하, 본 발명의 엘이디 가로등의 조립 구조를 도 2 및 도 7을 주로 참조하여 설명한다.

냉각케이스(3) 등 모든 구성요소는 엘이디 가로등의 외부 케이싱(9) 내부에 장착된다. 케이싱(9)은 냉각케이스(3), 열매체 공급부(5) 및 냉각팬(7)을 수용하여 설치하기 위한 수용부(30)와 가로등의 지주에 연결시키기 위한 지주연결부(29)를 가진다.

엘이디 기판(1)의 모서리에는 볼트체결홈(31)이 마련되고, 냉각케이스(3)의 열교환챔버(13)에는 기판고정볼트(33)가 결합되는 봉너트(35)가 설치된다.

엘이디 기판(1)과 냉각케이스(3)의 개구부 사이의 틈은 격판(37)에 의해 메워지게 된다. 격판(37)의 중간에는 엘이디 기판(1)이 끼워지는 기판홈(39)이 마련되며 4개의 볼트끼움공(41)이 기판홈(39) 주변에 마련된다. 격판(37)의 가장자리는 냉각케이스(3)의 가장자리에 케이스고정볼트(43)에 의해 고정된다. 격판(37)의 저면(37a)은 반사율이 높도록 알루미늄이나 은 등의 금속으로 증착시키는 것이 바람직하다. 격판(37)은 성형의 용이성 내지 기밀을 위해 합성수지 재질로 하는 것이 바람직하다.

엘이디 기판(1)의 전면에는 빛이 산란되는 것을 방지하기 위하여 볼록렌즈의 역할을 하는 렌즈판(45)이 부착된다. 렌즈판(45)은 렌즈부(47)와 길이방향을 따라 다수의 볼트공이 타공된 고정부(49)로 구성된다. 렌즈판(45)은 고정림(51)에 의해 냉각케이스(3) 전면에 고정된다. 돔형태로 된 투명커버(53)가 케이싱 전면에 고정 설치된다. 투명커버(53)는 전등갓의 기능과 엘이디 가로등 내부에 이물질이 유입되는 것을 방지하고 물리적 충격으로부터 내부 장치를 보호하는 기능을 한다.

냉각팬(7)의 전면에는 루버(louver) 구조에 의해 공기구멍(55)이 타공된 커버판(57)이 체결나사에 의해 케이싱(9)의 저면에 고정 설치된다.

한편 냉각케이스(3)의 상부에는 도 6에 도시된 바와 같이 케이싱(9)에 설치된 한 쌍의 지지봉(61)에 끼워지는 한 쌍의 원통형 슬리브(59)가 형성된다. 지지봉(61)과 슬리브(59)는 냉각케이스(3)의 무게를 지탱하기 위한 지지수단이며 높은 곳에서 냉각케이스(3)를 용이하게 교체하도록 보조하는 수단이다. 지지봉(61)은 엘(L)자형 브래킷(63)에 의해 케이싱(9) 내부에 고정될 수 있다.

미설명된 도면부호 65는 엘이디 기판(1)에 직류전원을 공급하기 위한 전원공급장치(예를 들어, SMPS(switching mode power supply)), 제어부, 타이머, 광센서, 온도센서 등 본 발명의 가로등을 구동시키기 위한 공지의 전장품이다.

제어부는 엘이디 기판(1)의 온도에 따라 펌프(21)의 온오프 및 회전수가 가변되도록 할 수 있다. 이를 위해 제어부는 온도센서를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면 케이싱(9)의 상면에도 냉각용 핀(fin, 미도시됨)이 형성될 수 있다. 이는 외부공기와의 접촉면적을 늘임으로써 태양열 또는 엘이디 기판(1)에 의해 케이싱(9)에서 발생되는 열을 외부공기로 전달시킬 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 되며 열전달율이 높은 액상물질을 통칭하는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 엘이디 기판 3 : 냉각케이스
5 : 열매체공급부 7 : 냉각팬
9 : 케이싱 11 : 엘이디(LED)
13 : 열교환챔버 15 : 유입구
17 : 유출구 19 : 순환관
21 : 펌프 23 : 단자부
25 : 전선 27 : 냉각핀
28 : 셧업밸브 29 : 지주연결부
30 : 수용부 33 : 기판고정볼트
35 : 봉너트 37 : 격판
43 : 케이스 고정볼트 45 : 렌즈판
51 : 고정림 53 : 투명커버
55 : 공기공 57 : 커버판
59 : 슬리브 61 : 지지봉
63 : 브래킷 65 : 전원공급장치

Claims

상면에 다수의 엘이디(LED)소자가 실장되는 엘이디 기판(1); 상기 엘이디 기판(1)과 결합되는 것으로서, 상기 엘이디 기판(1)과의 사이에 액상의 비전도성 열매체를 수용할 수 있는 열교환챔버(13)가 마련되도록 하는 냉각케이스(3); 펌프(21)를 이용하여 상기 냉각케이스(3)의 상기 열교환챔버(13) 내부로 액상의 열매체를 순환 공급시키기 위한 열매체 공급부(5); 상기 열교환챔버(13)를 통과하여 배출되는 열매체를 냉각시키기 위한 냉각팬(7);
상기 냉각케이스(3), 열매체 공급부(5) 및 냉각팬(7)을 수용하여 설치하기 위한 수용부와 가로등의 지주에 연결시키기 위한 지주연결부(29)를 가지는 케이싱(9);
엘이디 기판(1)에 전력을 공급할 수 있도록 상기 냉각케이스(3)의 일측에 전기적 접속을 위하여 설치되는 단자부(23);
상기 냉각케이스(3)의 상면에 설치되는 열매체 유입구(15)와 유출구(17)를 상기 열매체 공급부(5)의 순환관(19)에 연결시키기 위한 셧업밸브(28, Shut Off Valve);를 포함하며;
액상의 열매체(H)가 엘이디 기판(1)의 일면과 직접적으로 접촉하도록 상기 열교환챔버(13)는 상기 엘이디 기판(1)과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.
제1항에 있어서,
상기 열매체는 비전도성 액체로서, 플루오르화케톤(CF₃CF₂C(=O)CF(CF₃)₂)인 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.
제1항에 있어서, 엘이디 기판(1)과 냉각케이스(3)의 개구부 사이의 틈은 격판(37)에 의해 메워지게 되되;
상기 격판(37)의 중간에는 상기 엘이디 기판(1)이 끼워지는 기판홈(39)이 마련되며 볼트끼움공(41)이 기판홈(39) 주변에 마련되고;
상기 격판(37)의 가장자리는 냉각케이스(3)의 가장자리에 케이스고정볼트(43)에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.
제1항에 있어서,
상기 냉각케이스(3)의 내부에는 열매체의 흐름을 가이드하기 위한 가이드(18)가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.
제1항에 있어서,
상기 엘이디 기판(1)의 온도에 따라 상기 펌프(21)의 회전수가 가변될 수 있도록 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.
제1항에 있어서,
브래킷(63)에 의해 상기 케이싱(9)에 고정 설치된 한 쌍의 지지봉(61);
상기 지지봉(61)에 끼워질 수 있도록 상기 냉각케이스(3)의 상부에 형성되는 한 쌍의 원통형 슬리브(59)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수냉식 냉각수단을 갖는 엘이디 가로등.